Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành cơ khí chế tạo máy giữ vai trò then chốt trong công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, cung cấp trang thiết bị và các hệ thống truyền động cơ sở cho nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Hệ thống dẫn động băng tải là thiết bị vận chuyển liên tục được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp nhằm vận chuyển vật liệu rời hoặc hàng kiện nhằm giải phóng sức lao động thủ công và tự động hóa quy trình sản xuất.
Đề tài "Thiết kế hệ thống dẫn động băng tải (Phương án 03)" thuộc học phần Đồ án thiết kế (mã học phần: ME3139), Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện vào tháng 05/2024 dưới sự hướng dẫn của cán bộ giảng dạy Thân Trọng Khánh Đạt. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định rõ qua các nội dung kỹ thuật sau:
- Tính chọn công suất động cơ điện và phân phối tỉ số truyền cho toàn bộ hệ thống từ trục động cơ đến trục công tác của băng tải.
- Tính toán thiết kế và kiểm nghiệm độ bền các bộ truyền ngoài (bộ truyền xích con lăn) và bộ truyền trong hộp giảm tốc (cặp bánh răng trụ răng thẳng cấp nhanh và cặp trục vít - bánh vít cấp chậm).
- Thiết kế kết cấu trục, then, tính toán phản lực gối đỡ, kiểm nghiệm độ bền mỏi và độ bền tĩnh của các trục; lựa chọn ổ lăn và khớp nối trục đàn hồi.
- Xác định kích thước hình học vỏ hộp giảm tốc đúc từ gang xám, hệ thống bulông liên kết và các chi tiết phụ trợ bôi trơn, làm mát, kiểm tra mức dầu.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là trạm dẫn động băng tải gồm động cơ điện xoay chiều, khớp nối đàn hồi, hộp giảm tốc hai cấp đồng trục kết hợp (bánh răng trụ – trục vít) và bộ truyền xích hở dẫn động trục tang băng tải. Phạm vi nghiên cứu về mặt thời gian và chế độ tải trọng được xác lập cụ thể: thời gian phục vụ danh nghĩa $L = 5$ năm; chế độ làm việc 348 ngày/năm, 2 ca/ngày, 8 giờ/ca (tương đương tổng thời gian vận hành $27.840$ giờ); chiều quay một chiều, chế độ tải trọng va đập nhẹ.
Cơ sở tính toán và phương pháp thiết kế
Đồ án vận dụng hệ thống lý thuyết chi tiết máy, nguyên lý máy, dung sai lắp ghép và tiêu chuẩn hóa cơ khí chế tạo theo tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí của các tác giả Trịnh Chất, Lê Văn Uyển và Nguyễn Trọng Hiệp. Phương pháp nghiên cứu và tính toán kỹ thuật bao gồm:
- Phương pháp tính toán động học và động lực học hệ dẫn động: Xác định công suất làm việc trên trục công tác, công suất đẳng trị, hiệu suất truyền động của từng cụm cơ cấu (khớp nối, ổ lăn, bánh răng, trục vít, bộ truyền xích) để tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ điện và phân phối hợp lý tỉ số truyền cho từng cấp.
- Phương pháp tính toán độ bền chi tiết máy theo chỉ tiêu mỏi và ứng suất tiếp xúc: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế bánh răng và trục vít theo tiêu chuẩn GOST/ISO; xác định ứng suất tiếp xúc cho phép $[\sigma_H]$ và ứng suất uốn cho phép $[\sigma_F]$ có xét đến chu kỳ thay đổi ứng suất, hệ số tập trung ứng suất và chế độ nhiệt luyện vật liệu.
- Phương pháp kiểm nghiệm bộ truyền xích: Tính toán bước xích theo công suất tính toán, kiểm tra số vòng quay tới hạn, số lần va đập của bản lề trong một giây và kiểm nghiệm hệ số an toàn về tải trọng phá hủy cũng như áp suất tiếp xúc bản lề.
- Phương pháp cơ học kết cấu trục: Lập sơ đồ phân tích lực trong không gian, chiếu lực lên hai mặt phẳng vuông góc (đứng và ngang), xác định phản lực tại các gối đỡ ổ lăn, vẽ biểu đồ mômen uốn và xoắn; từ đó kiểm nghiệm trục theo hệ số an toàn mỏi $s \ge [s]$ và kiểm nghiệm quá tải bền tĩnh.
- Phương pháp chọn ổ lăn và khớp nối: Tính toán tải trọng quy ước, tải trọng động tương đương, xác định tuổi thọ làm việc tính bằng triệu vòng quay để so sánh với khả năng tải động danh định $C$ và tải tĩnh $C_0$; kiểm tra số vòng quay tới hạn của ổ.
Nguồn dữ liệu sử dụng hoàn toàn dựa trên các thông số ban đầu của Phương án 03, kết hợp hệ thống bảng tra cứu chuẩn tắc về động cơ điện công nghiệp, vật liệu kim loại (thép cacbon kết cấu C45, gang xám GX, đồng thanh thiếc BrSnP), kích thước then bằng, ổ lăn tiêu chuẩn và các dung sai lắp ghép kỹ thuật.
Thiết kế và triển khai hệ thống dẫn động
Hệ thống dẫn động được tổ chức theo sơ đồ động học cơ học nối tiếp: trục động cơ điện truyền chuyển động qua khớp nối trục vòng đàn hồi đến trục vào (Trục I) của hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc bao gồm hai cấp: cấp nhanh sử dụng cặp bánh răng trụ răng thẳng, cấp chậm sử dụng cặp trục vít – bánh vít nhằm đạt tỉ số truyền lớn và kết cấu gọn gàng. Đầu ra của hộp giảm tốc (Trục III) truyền chuyển động đến trục công tác (Trục IV) của băng tải thông qua bộ truyền xích con lăn đặt hở.
Động cơ điện (4A112M2Y3)
[Khớp nối trục đàn hồi]
Trục I (Hộp giảm tốc)
[Cặp bánh răng trụ răng thẳng: u1 = 2,235]
Trục II
[Cặp trục vít - bánh vít: u2 = 23]
Trục III
[Bộ truyền xích con lăn ngoài: ux = 2,5]
Trục IV (Trục tang băng tải)
Về mặt công nghệ vật liệu và nhiệt luyện:
- Cặp bánh răng trụ cấp nhanh chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện, bánh nhỏ có độ cứng bề mặt đạt 241 – 285 HB, bánh lớn đạt 192 – 240 HB.
- Cặp truyền động trục vít – bánh vít: Trục vít chế tạo từ thép C45 tôi đạt độ cứng bề mặt $> 45\text{ HRC}$, các mặt ren được mài và đánh bóng; vành bánh vít sử dụng đồng thanh thiếc BrSnP10-1 đúc trong khuôn kim loại nhằm nâng cao tính chống dính, chống mòn và giảm ma sát trượt.
- Hệ thống trục truyền động (Trục I, Trục II, Trục III) sử dụng phôi thép tròn C45 tôi cải thiện có độ cứng 200 HB, giới hạn bền kéo $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 340\text{ MPa}$.
- Thân và nắp hộp giảm tốc đúc từ gang xám GX15-32, có bổ sung gân tăng cứng để đảm bảo độ cứng vững khi chịu tải trọng lực và mômen uốn.
Về chế độ bôi trơn và điều kiện nhiệt: Toàn bộ các bộ truyền trong hộp giảm tốc được bôi trơn theo phương pháp ngâm dầu, sử dụng dầu bôi trơn chuyên dụng cho ô tô máy kéo mã hiệu AK-20. Trục vít được bố trí nằm ở phía dưới bánh vít; mức ngập dầu thấp nhất ngập chân ren trục vít và không vượt quá 1/3 bán kính bánh vít để giảm tổn thất khuấy dầu. Hệ thống thoát nhiệt tự nhiên qua bề mặt vỏ hộp được kiểm tra diện tích tản nhiệt thỏa mãn giới hạn nhiệt độ dầu cho phép trong suốt ca làm việc.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Chọn động cơ điện - Phân phối tỉ số truyền
Chương này tập trung xác định các thông số động lực học đầu vào, tính toán hiệu suất cơ học tổng thể và phân bổ tỉ số truyền cho toàn bộ trạm dẫn động. Hiệu suất các bộ phận được xác lập: khớp nối đàn hồi $\eta = 1,0$; cặp bánh răng trụ $\eta = 0,97$; bộ truyền trục vít $\eta = 0,84$; bộ truyền xích hở $\eta = 0,93$; hiệu suất mỗi cặp ổ lăn $\eta = 0,99$.
Công suất cần thiết trên trục động cơ được tính toán đạt $P_{ct} = 6,766\text{ kW}$. Dựa trên vận tốc quay sơ bộ trên trục công tác và tỉ số truyền sơ bộ toàn hệ thống ($u_{sb} \approx 127,5$), tác giả lựa chọn động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ roto ngắn mạch kiểu 4A112M2Y3 có các thông số kỹ thuật danh định:
- Công suất định mức: $P_{đc} = 7,5\text{ kW}$.
- Tốc độ quay định mức: $n = 2922\text{ vg/ph}$ (tốc độ đồng bộ $n_{đb} = 3000\text{ vg/ph}$).
- Hệ số công suất $\cos\varphi = 0,88$; hiệu suất động cơ $\eta = 87,5%$.
- Tỉ số mômen khởi động $T_k/T_{dn} = 2,2$; tỉ số mômen cực đại $T_{m}/T_{dn} = 2,0$.
Tỉ số truyền thực tế sau khi chọn động cơ là $u_t = 128,519$, được phân phối cụ thể: bộ truyền xích ngoài $u_x = 2,5$; hộp giảm tốc hai cấp $u_{hgt} = 51,4076$, trong đó cấp nhanh bánh răng trụ $u_1 = 2,235$ và cấp chậm trục vít – bánh vít $u_2 = 23$.
| Thông số động học |
Trục Động cơ |
Trục I (Vào) |
Trục II (Trung gian) |
Trục III (Ra) |
Trục IV (Công tác) |
| Tỉ số truyền ($u$) |
$u_{kn} = 1$ |
$1$ |
$u_1 = 2,235$ |
$u_2 = 23$ |
$u_x = 2,5$ |
| Số vòng quay ($n$, vg/ph) |
$2922$ |
$2922$ |
$1307,383$ |
$56,839$ |
$22,736$ |
| Công suất ($P$, kW) |
$6,766$ |
$6,699$ |
$6,433$ |
$5,404$ |
$4,975$ |
| Mômen xoắn ($T$, N.mm) |
$22.113,381$ |
$21.894,405$ |
$46.990,935$ |
$907.971,639$ |
$2.089.692,558$ |
Chương 3: Thiết kế các bộ truyền
Nội dung chương trình bày chi tiết việc tính toán kích thước hình học và kiểm nghiệm độ bền cơ học cho bộ truyền ngoài và các bộ truyền bên trong hộp giảm tốc:
1. Bộ truyền xích ngoài: Lựa chọn xích con lăn 1 dãy, bước xích tiêu chuẩn $p = 38,1\text{ mm}$.
- Số răng đĩa xích: đĩa dẫn $z_1 = 24$ răng, đĩa bị dẫn $z_2 = 60$ răng.
- Khoảng cách trục sau khi tính toán và giảm bớt để tránh ứng suất căng quá mức: $a = 1508,5\text{ mm}$; số mắt xích $x = 122$ mắt.
- Đường kính vòng chia đĩa xích dẫn $d_1 = 292\text{ mm}$, đĩa bị dẫn $d_2 = 728\text{ mm}$; đường kính vòng đỉnh tương ứng $d_{a1} = 308,5\text{ mm}$, $d_{a2} = 746\text{ mm}$.
- Tải trọng phá hủy cho phép của xích $Q = 127\text{ kN}$. Kiểm nghiệm hệ số an toàn bền kéo đạt $s = 48,19 > [s] = 8,2$. Đĩa xích đúc từ gang xám CH 28-48 tôi bề mặt HB 429 đảm bảo độ bền tiếp xúc tại bản lề xích.
2. Cặp bánh răng trụ răng thẳng cấp nhanh:
- Khoảng cách trục chia và khoảng cách trục làm việc: $a_w = 80\text{ mm}$.
- Modun pháp: $m = 1,23\text{ mm}$. Số răng: bánh chủ động $z_1 = 40$ răng, bánh bị động $z_2 = 90$ răng (tỉ số truyền thực tế $u = 2,25$).
- Bộ truyền không dịch chỉnh ($x_1 = x_2 = 0$), góc ăn khớp $\alpha = 20^\circ$.
- Chiều rộng vành răng bánh chủ động $b_1 = 32\text{ mm}$, bánh bị động $b_2 = 30\text{ mm}$.
- Kết quả kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn đều nhỏ hơn ứng suất cho phép của thép 45 tôi cải thiện.
3. Cặp trục vít – bánh vít cấp chậm:
- Khoảng cách trục tiêu chuẩn: $a_w = 234\text{ mm}$; modun dọc $m = 8\text{ mm}$; hệ số đường kính trục vít $q = 12,5$.
- Số răng bánh vít $z_2 = 23$; hệ số dịch chỉnh bánh vít $x = -0,0625$; chiều dài phần ren cắt trên trục vít đạt yêu cầu ăn khớp.
- Đường kính vòng chia bánh vít $d_2 = 184\text{ mm}$, đường kính vòng đỉnh $d_{a2} = 200\text{ mm}$, đường kính vòng ngoài lớn nhất $d_{am2} = 212\text{ mm}$.
- Vận tốc trượt trên ren trục vít được xác định đạt cấp chính xác chế tạo là 7. Kiểm nghiệm bánh vít đạt điều kiện bền mỏi tiếp xúc và bền uốn gãy răng. Diện tích tản nhiệt vỏ hộp đảm bảo cân bằng nhiệt khi ngâm dầu bôi trơn AK-20.
Chương 4: Thiết kế trục - Then - Ổ lăn - Nối trục
Chương này giải quyết bài toán kết cấu động lực cho toàn bộ 3 trục truyền động của hộp giảm tốc:
-
Thiết kế then bằng: Dựa trên đường kính trục sơ bộ tại các tiết diện lắp ghép mayơ, tác giả chọn kích thước then bằng theo tiêu chuẩn TCVN và kiểm nghiệm theo ứng suất dập $\sigma_d \le [\sigma_d]$ và ứng suất cắt $\tau_c \le [\tau_c]$:
- Tiết diện 1C (lắp khớp nối trên Trục I, $d=22\text{ mm}$): then $b \times h = 6 \times 6\text{ mm}$, $l_t = 32\text{ mm}$ ($\sigma_d = 24,88\text{ MPa}$, $\tau_c = 10,37\text{ MPa}$).
- Tiết diện 1D (lắp bánh răng 1 trên Trục I, $d=30\text{ mm}$): then $10 \times 8\text{ mm}$, $l_t = 25\text{ mm}$ ($\sigma_d = 19,46\text{ MPa}$, $\tau_c = 5,84\text{ MPa}$).
- Tiết diện 2C (lắp bánh răng 2 trên Trục II, $d=40\text{ mm}$): then $12 \times 8\text{ mm}$, $l_t = 25\text{ mm}$ ($\sigma_d = 31,33\text{ MPa}$, $\tau_c = 7,83\text{ MPa}$).
- Tiết diện 3C (lắp bánh vít trên Trục III, $d=70\text{ mm}$): then $20 \times 12\text{ mm}$, $l_t = 80\text{ mm}$ ($\sigma_d = 72,06\text{ MPa}$, $\tau_c = 16,21\text{ MPa}$).
- Tiết diện 3D (lắp đĩa xích trên Trục III, $d=60\text{ mm}$): then $18 \times 11\text{ mm}$, $l_t = 78\text{ mm}$ ($\sigma_d = 97,01\text{ MPa}$, $\tau_c = 21,56\text{ MPa}$).
Tất cả các mối ghép then đều thỏa mãn tuyệt đối điều kiện bền dập và cắt.
-
Kiểm nghiệm trục về mỏi và bền tĩnh: Tính toán chính xác đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm, xét đến tập trung ứng suất do rãnh then và lắp căng. Hệ số an toàn uốn $s_\sigma$, hệ số an toàn xoắn $s_\tau$ và hệ số an toàn tổng hợp $s = (s_\sigma \cdot s_\tau)/\sqrt{s_\sigma^2 + s_\tau^2}$ đều vượt xa hệ số an toàn cho phép $[s] = 1,5 - 2,5$. Cụ thể:
- Trục I: Tiết diện gối đỡ 1A đạt $s = 19,35$; tiết diện lắp bánh răng 1D đạt $s = 20,98$.
- Trục II: Tiết diện gối đỡ 2A đạt $s = 21,62$; tiết diện đoạn trục vít 2D đạt $s = 7,78$.
- Trục III: Tiết diện lắp bánh vít 3C đạt $s = 4,39$; tiết diện gối đỡ 3B đạt $s = 3,43$.
-
Lựa chọn và kiểm nghiệm ổ lăn:
- Trục I (chỉ chịu lực hướng tâm thuần túy): Chọn ổ bi đỡ một dãy cỡ trung ký hiệu
306 ($d = 30\text{ mm}$, $D = 72\text{ mm}$, $B = 19\text{ mm}$, $C = 22\text{ kN}$, $C_0 = 15,1\text{ kN}$).
- Trục II (chịu lực dọc trục rất lớn sinh ra từ trục vít): Gối tựa A lắp ổ tùy động là ổ bi đỡ cỡ đặc biệt nhẹ ký hiệu
109 ($d = 45\text{ mm}$, $D = 75\text{ mm}$, $B = 16\text{ mm}$, $C = 16,5\text{ kN}$); gối tựa B lắp cặp ổ đũa côn đối xứng cỡ trung ký hiệu 7309 ($d = 45\text{ mm}$, $D = 100\text{ mm}$, $T = 27,25\text{ mm}$, $C = 76,1\text{ kN}$, $C_0 = 69,3\text{ kN}$) để khống chế dịch chuyển dọc trục cả hai phía.
- Trục III (vận tốc chậm, mômen xoắn lớn, có lực dọc trục từ bánh vít): Chọn 2 ổ đũa côn cỡ nhẹ rộng ký hiệu
7612 ($d = 65\text{ mm}$, $D = 120\text{ mm}$, $T = 32,75\text{ mm}$, $C = 109\text{ kN}$, $C_0 = 98,9\text{ kN}$).
-
Nối trục: Sử dụng khớp nối trục vòng đàn hồi tiêu chuẩn nối trục động cơ và Trục I; mômen định mức danh nghĩa $T = 31,5\text{ N.m}$, đường kính lỗ trục $d = 22\text{ mm}$. Kiểm nghiệm sức bền dập của vòng cao su đàn hồi và sức bền uốn của chốt định vị đều thỏa mãn điều kiện làm việc ổn định.
Chương 5: Thân máy, bulông và các chi tiết khác
Chương này xác lập các kích thước kết cấu vỏ hộp giảm tốc và phụ kiện kèm theo dựa trên khoảng cách trục công tác $a = 230 - 234\text{ mm}$:
| Bộ phận kết cấu |
Biểu thức / Tiêu chuẩn tính toán |
Kích thước xác lập (mm) |
| Chiều dày thân hộp ($\delta$) |
$\delta = 0,03a + 3 > 9\text{ mm}$ |
$10$ |
| Chiều dày nắp hộp ($\delta_1$) |
$\delta_1 = 0,9\delta$ |
$9$ |
| Gân tăng cứng vỏ hộp |
Chiều dày $e = (0,8 - 1)\delta$; Chiều cao $h = 55\text{ mm}$ |
$e = 8$; độ dốc $2^\circ$ |
| Đường kính bulông nền ($d_1$) |
$d_1 > 0,04a + 10 > 12\text{ mm}$ |
$\text{M20}$ (Số lượng: 4 bulông) |
| Bulông cạnh ổ ($d_2$) |
$d_2 = (0,7 - 0,8)d_1$ |
$\text{M16}$ |
| Bulông ghép bích nắp và thân ($d_3$) |
$d_3 = (0,8 - 0,9)d_2$ |
$\text{M12}$ |
| Vít ghép nắp ổ ($d_4$) |
$d_4 = (0,6 - 0,7)d_2$ |
$\text{M10}$ |
| Vít ghép nắp cửa thăm ($d_5$) |
$d_5 = (0,5 - 0,6)d_2$ |
$\text{M8}$ |
| Mặt bích ghép thân và nắp |
Chiều dày bích thân $S_3 = 20$; Chiều dày bích nắp $S_4 = 18$ |
Bề rộng bích $K_3 = 46$ |
| Đế hộp |
Chiều dày mặt đế $S_1 = 30$; Bề rộng đế $K_1 = 50$ |
$q = 62$ |
| Khe hở an toàn bên trong |
Bánh răng với thành hộp: $12$; Đỉnh răng lớn với đáy: $40$ |
Mặt bên bánh răng: $10$ |
Các chi tiết phụ trợ vận hành:
- Cửa thăm và nút thông hơi: Cửa thăm kích thước $150 \times 100\text{ mm}$ bắt trên đỉnh nắp hộp bằng 4 vít M8x22; trên nắp cửa thăm lắp nút thông hơi ren M27x2 để điều hòa áp suất khí bên trong khi hộp nóng lên.
- Que thăm dầu: Sử dụng que thăm dầu dạng có ống bao ngoài, góc nghiêng $35^\circ$ đối với mặt cắt A-A (chiều dài que $80\text{ mm}$) và nghiêng $30^\circ$ đối với hình chiếu cạnh (chiều dài que $150\text{ mm}$).
- Nút tháo dầu: Bố trí tại vị trí trũng nhất của đáy hộp (đáy nghiêng 1% về phía lỗ tháo), sử dụng vít nút tháo dầu ren trụ M20 kèm đệm làm kín.
- Chốt định vị: Dùng 2 chốt định vị hình côn/trụ kích thước đường kính $d = 8\text{ mm}$, chiều dài $l = 52\text{ mm}$ nhằm đảm bảo vị trí tương quan chính xác giữa tâm nắp và thân hộp sau khi gia công và lắp ráp ổ lăn.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống dẫn động băng tải theo Phương án 03 với các kết quả cụ thể:
- Xác lập chuỗi thông số kỹ thuật đồng bộ: Tính toán chọn thành công động cơ điện
4A112M2Y3 ($7,5\text{ kW}$, $2922\text{ vg/ph}$) và phân phối chính xác hệ thống truyền động qua 4 trục, giảm tốc độ từ $2922\text{ vg/ph}$ xuống $22,736\text{ vg/ph}$ trên trục công tác với mômen xoắn cực đại đạt $2.089.692,558\text{ N.mm}$.
- Tính toán hoàn chỉnh các cụm chi tiết máy:
- Bộ truyền xích con lăn ngoài hở đạt bước xích $38,1\text{ mm}$, $z_1=24$, $z_2=60$, khoảng cách trục $1508,5\text{ mm}$, hệ số an toàn kéo đứt đạt $48,19$.
- Cặp bánh răng trụ cấp nhanh ($a_w = 80\text{ mm}$, $m = 1,23\text{ mm}$, $z_1=40$, $z_2=90$) và cặp trục vít – bánh vít cấp chậm ($a_w = 234\text{ mm}$, $m = 8\text{ mm}$, $z_2=23$, $q=12,5$) được kiểm nghiệm đạt chỉ tiêu bền uốn và bền tiếp xúc.
- Kết cấu 3 trục truyền động bằng thép C45 tôi đạt hệ số an toàn mỏi tối thiểu $s = 3,43$ (vượt yêu cầu an toàn $[s] = 1,5 - 2,5$).
- Hệ thống ổ lăn được lựa chọn theo đúng sơ đồ phân bố tải trọng dọc trục: kết hợp ổ bi đỡ
109 và hai ổ đũa côn 7309 trên Trục II, hai ổ đũa côn 7612 trên Trục III.
- Đóng góp kỹ thuật tự nêu của tác giả: Hồ sơ đồ án đưa ra phương án kết cấu hộp giảm tốc trục vít – bánh răng phối hợp tối ưu về mặt không gian bố trí, kết hợp hài hòa giữa khả năng chịu tải trọng lớn của trục vít và hiệu suất cao của bánh răng trụ; giải quyết bài toán chống kẹt nhiệt và bôi trơn ngâm dầu đối với bộ truyền trục vít đặt dưới thông qua tính toán thoát nhiệt và lựa chọn dầu công nghiệp AK-20.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Thuyết minh tính toán dựa chủ yếu trên các công thức giải tích bán thực nghiệm và hệ thống bảng tra tĩnh của tiêu chuẩn cơ khí truyền thống; chưa thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá tập trung ứng suất cục bộ trên vỏ hộp và trên răng bánh vít; chưa khảo sát dao động cưỡng bức và hiện tượng va đập của xích con lăn khi tải trọng băng tải thay đổi đột ngột ngoài thực tế.
- Hướng phát triển: Ứng dụng các công cụ CAD/CAE hiện đại (như SolidWorks, ANSYS) để mô phỏng động lực học đa vật thể, phân tích phân bố nhiệt độ trong lòng hộp ngâm dầu; tiến hành tối ưu hóa khối lượng vỏ hộp đúc và kiểm chứng thực nghiệm độ ồn, độ rung của trạm dẫn động khi hoạt động ở chế độ 3 ca liên tục.
Giá trị tham khảo
Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Công nghiệp khi thực hiện học phần Đồ án Chi tiết máy (ME3139) hoặc các đồ án thiết kế trạm dẫn động cơ khí nói chung.
Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:
- Quy trình lựa chọn và phối hợp ổ đũa côn chịu lực dọc trục lớn đối với hộp giảm tốc có cấp trục vít (đặc biệt là phương án bố trí ổ tại gối đỡ Trục II).
- Trình tự tính toán kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc của vành bánh vít bằng đồng thanh đúc khuôn kim loại ăn khớp với trục vít tôi bóng.
- Bảng tổng hợp công thức thực nghiệm và quy cách lựa chọn kích thước vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám GX15-32 cùng các chi tiết định vị, kiểm tra mức dầu và thông hơi.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ điện được chọn cho hệ thống dẫn động băng tải có mã hiệu và thông số kỹ thuật chính là gì?
Hệ thống sử dụng động cơ điện ba pha không đồng bộ roto ngắn mạch kiểu 4A112M2Y3, công suất định mức $7,5\text{ kW}$, tốc độ quay định mức $2922\text{ vg/ph}$ (tốc độ đồng bộ $3000\text{ vg/ph}$), hiệu suất $87,5%$, $\cos\varphi = 0,88$, hệ số quá tải mômen $T_k/T_{dn} = 2,2$ và $T_{m}/T_{dn} = 2,0$.
2. Tại sao trên Trục II lại bố trí một ổ bi đỡ và hai ổ đũa côn đối nhau?
Trục II là trục mang trục vít của cấp giảm tốc chậm, sinh ra lực dọc trục $F_a$ có giá trị rất lớn trong quá trình ăn khớp. Do đó, gối đỡ B được lắp hai ổ đũa côn cỡ trung ký hiệu 7309 đặt đối xứng để khống chế hoàn toàn lực dọc trục theo cả hai chiều; trong khi gối đỡ A lắp ổ bi đỡ một dãy 109 làm gối tùy động nhằm bù trừ dãn nở nhiệt của trục trong quá trình vận hành.
3. Cặp truyền động trục vít – bánh vít trong hộp giảm tốc có những kích thước hình học cơ bản nào?
Bộ truyền trục vít – bánh vít có tỉ số truyền $u_2 = 23$, khoảng cách trục tiêu chuẩn $a_w = 234\text{ mm}$, modun dọc $m = 8\text{ mm}$, hệ số đường kính trục vít $q = 12,5$, số răng bánh vít $z_2 = 23$ răng, hệ số dịch chỉnh $x = -0,0625$. Đường kính vòng chia bánh vít $d_2 = 184\text{ mm}$, vòng đỉnh $d_{a2} = 200\text{ mm}$ và vòng ngoài lớn nhất $d_{am2} = 212\text{ mm}$.
4. Cặp bánh răng trụ cấp nhanh và cặp trục vít – bánh vít sử dụng những vật liệu chế tạo nào?
Cặp bánh răng trụ cấp nhanh chế tạo từ thép 45 tôi cải thiện (bánh dẫn có độ cứng 241 – 285 HB, bánh bị dẫn đạt 192 – 240 HB). Cặp trục vít – bánh vít sử dụng trục vít bằng thép C45 tôi đạt độ cứng $> 45\text{ HRC}$ mài bóng mặt ren, kết hợp với vành bánh vít bằng đồng thanh thiếc BrSnP10-1 đúc khuôn kim loại.
5. Vỏ hộp giảm tốc sử dụng vật liệu gì và các thông số kích thước cơ bản được quy định ra sao?
Vỏ hộp đúc bằng gang xám GX15-32. Dựa trên khoảng cách trục $a = 230 - 234\text{ mm}$, chiều dày thân hộp được xác định là $\delta = 10\text{ mm}$, nắp hộp $\delta_1 = 9\text{ mm}$, gân tăng cứng dày $8\text{ mm}$ cao $55\text{ mm}$. Hộp được liên kết bằng 4 bulông nền M20, các bulông cạnh ổ M16, bulông ghép mặt bích M12 và vít ghép nắp ổ M10.
Kết luận
Thuyết minh đồ án thiết kế ME3139 đã hoàn thiện toàn diện phương án kỹ thuật cho hệ thống dẫn động băng tải (Phương án 03) thông qua cấu hình phối hợp giữa hộp giảm tốc bánh răng trụ – trục vít và bộ truyền xích con lăn ngoài. Các chỉ tiêu về động học, khả năng chịu tải tiếp xúc, độ bền uốn của răng, sức bền mỏi của trục, tuổi thọ ổ lăn và điều kiện bôi trơn ngâm dầu đều được kiểm nghiệm đạt chuẩn quy phạm kỹ thuật cơ khí. Văn bản cung cấp đầy đủ thông số kết cấu và số liệu chế tạo, đóng vai trò là tài liệu thiết kế học thuật hoàn chỉnh cho trạm dẫn động công nghiệp.
