Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa và tự động hóa quá trình sản xuất công nghiệp, các hệ thống truyền động và vận chuyển cơ khí đóng vai trò thiết yếu nhằm giải phóng sức lao động thủ công, nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn lao động. Băng tải là thiết bị vận chuyển liên tục được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất, nhà máy, xí nghiệp nhằm chuyển dời phôi liệu, bán thành phẩm giữa các công đoạn gia công hoặc vận chuyển sản phẩm đến khu vực đóng gói.

Đề tài "Thiết kế hệ thống dẫn động băng tải" thuộc học phần Đồ án Thiết kế máy (mã môn ME3139), Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Tuấn Kiệt (MSSV: 1812734) dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Như Phan Thiện. Nghiên cứu giải quyết bài toán thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho trạm dẫn động băng tải theo Đề số 20, Phương án số 12, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định, đạt độ bền và tuổi thọ theo yêu cầu kỹ thuật.

Nhiệm vụ thiết kế cụ thể bao gồm:

  1. Xác định công suất động cơ điện và phân phối tỷ số truyền cho toàn bộ hệ thống dẫn động.
  2. Tính toán thiết kế bộ truyền ngoài (bộ truyền xích ống con lăn) và các bộ truyền trong hộp giảm tốc (bánh răng trụ răng nghiêng và bộ truyền trục vít - bánh vít).
  3. Vẽ sơ đồ lực, xác định giá trị lực tác dụng lên các bộ truyền và phản lực tại các gối đỡ.
  4. Tính toán thiết kế kết cấu trục, then, chọn và kiểm nghiệm ổ lăn, khớp nối đàn hồi.
  5. Thiết kế vỏ hộp giảm tốc, các chi tiết phụ trợ, xác định chế độ bôi trơn và dung sai lắp ghép.
  6. Lập 01 bản thuyết minh tính toán chi tiết, 01 bản vẽ lắp cụm hộp giảm tốc khổ A0 và 01 bản vẽ chế tạo chi tiết theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN).

Phạm vi và số liệu ban đầu của phương án thiết kế (Phương án 12):

  • Lực vòng kéo băng tải: $F = 18000\text{ N}$.
  • Vận tốc di chuyển của băng tải: $v = 0,20\text{ m/s}$.
  • Đường kính tang dẫn băng tải: $D = 650\text{ mm}$.
  • Thời hạn phục vụ: $L = 5\text{ năm}$ ($K_{ng} = 310\text{ ngày/năm}$, chế độ làm việc 2 ca/ngày, 8 giờ/ca).
  • Đặc tính tải trọng: Quay một chiều, tải va đập nhẹ; chu kỳ tải gồm 2 giai đoạn: $t_1 = 25\text{ s}$ với mômen $T_1 = T$, $t_2 = 29\text{ s}$ với mômen $T_2 = 0,5T$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đồ án ứng dụng các nguyên lý cơ sở từ môn học Chi tiết máy, Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu và Vẽ kỹ thuật cơ khí. Quy trình tính toán dựa trên các tài liệu giáo trình và tiêu chuẩn thiết kế cơ khí kinh điển tại Việt Nam (giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất, Lê Văn Uyển; giáo trình Chi tiết máy của Nguyễn Trọng Hiệp).

Phương pháp thực hiện:

  • Phương pháp giải tích và tính toán động học: Xác định hiệu suất truyền động tổng cộng, tính công suất tương đương theo chế độ tải trọng thay đổi bậc, lựa chọn động cơ điện không đồng bộ ba pha và phân bố tỷ số truyền hợp lý giữa các cấp giảm tốc.
  • Phương pháp tính toán độ bền chi tiết máy:
    • Bộ truyền xích: Tính toán theo chỉ tiêu độ bền mòn bản lề xích, kiểm nghiệm bước xích, số lần va đập và hệ số an toàn.
    • Bộ truyền bánh răng: Thiết kế theo độ bền tiếp xúc bề mặt răng nhằm chống tróc rỗ, kiểm nghiệm độ bền uốn chân răng chống gãy mỏi.
    • Bộ truyền trục vít: Thiết kế theo độ bền tiếp xúc bánh vít, kiểm nghiệm độ bền uốn bánh vít, độ bền uốn và độ võng trục vít, tính toán cân bằng nhiệt chống dính ren.
    • Kết cấu trục: Tính toán sơ bộ đường kính trục theo mômen xoắn thuần túy; phân tích hệ lực không gian, thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học để tìm phản lực gối đỡ; xây dựng biểu đồ mômen uốn ($M_x, M_y$) và mômen xoắn ($T$); tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi theo hệ số an toàn tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm.
    • Ổ lăn: Lựa chọn chủng loại ổ (ổ bi đỡ, ổ đũa côn), xác định tải trọng động quy ước và kiểm nghiệm khả năng tải động, tuổi thọ làm việc tính bằng triệu vòng quay và số giờ phục vụ.
    • Mối ghép then: Lựa chọn then bằng theo TCVN và kiểm nghiệm độ bền dập, độ bền cắt.
  • Nguồn dữ liệu: Bảng tra cứu thông số động cơ điện, hệ số tải trọng, trị số ứng suất giới hạn, bảng tra dung sai và kích thước tiêu chuẩn chi tiết máy từ tài liệu tham khảo chuyên ngành.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống dẫn động

Hệ thống dẫn động băng tải gồm 5 cụm chi tiết chính bố trí nối tiếp:

  1. Động cơ điện 3 pha không đồng bộ: Nguồn cung cấp cơ năng quay.
  2. Khớp nối trục đàn hồi: Nối trục động cơ với trục vào (trục I) của hộp giảm tốc, có khả năng giảm chấn, triệt tiêu tải trọng va đập đột ngột khi khởi động.
  3. Hộp giảm tốc bánh răng - trục vít (2 cấp): Gồm cấp nhanh bánh răng trụ răng nghiêng và cấp chậm trục vít - bánh vít, đảm nhận vai trò giảm tốc độ góc và tăng mômen xoắn.
  4. Bộ truyền xích ống con lăn: Bộ truyền ngoài truyền chuyển động từ trục ra (trục III) của hộp giảm tốc đến trục tang dẫn của băng tải.
  5. Bộ phận công tác (Băng tải): Biến đổi chuyển động quay của trục tang dẫn thành chuyển động tịnh tiến một chiều của băng tải kéo sản phẩm.
Trục Vị trí / Cụm chi tiết Công suất $P$ (kW) Tỷ số truyền $u$ Số vòng quay $n$ (vg/ph) Mômen xoắn $T$ (Nm)
Động cơ Động cơ 4A112M4Y3 5,36 - 1425 35,92
Trục I Trục cấp nhanh (vào) 5,20 1,0 1425 34,85
Trục II Trục trung gian 4,99 2,0 712,5 66,88
Trục III Trục cấp chậm (ra) 3,95 48,5 14,69 2567,90
Trục IV Trục công tác (tang dẫn) 3,60 2,5 5,88 5846,94

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu hệ thống truyền động

Chương 1 mô tả tổng quan về nguyên lý hoạt động, cấu tạo của hệ thống dẫn động băng tải và phân tích chức năng của từng cụm chi tiết cơ khí. Tác giả trình bày sơ đồ động học hệ thống (Đề 20, Phương án 12) cùng các yêu cầu kỹ thuật: tải trọng kéo băng tải $F = 18000\text{ N}$, vận tốc $v = 0,20\text{ m/s}$, đường kính tang dẫn $D = 650\text{ mm}$, thời gian làm việc $L = 5\text{ năm}$ ($310\text{ ngày/năm}$, $2\text{ ca/ngày}$).

Chương 2: Chọn động cơ, phân phối tỷ số truyền

Tác giả tính toán công suất làm việc trên trục công tác $P_{ct} = 3,6\text{ kW}$ và số vòng quay trục công tác $n_{ct} = 5,88\text{ vg/ph}$. Sau khi xét đến hiệu suất các bộ truyền và ổ lăn, công suất cần thiết của động cơ được xác định là $P_{ctt} = 5,36\text{ kW}$.

Từ bảng so sánh 4 phương án động cơ (4A100L2Y3, 4A112M4Y3, 4A132S6Y3, 4A132M8Y3), tác giả lựa chọn động cơ 4A112M4Y3 có công suất định mức $P_{dc} = 5,5\text{ kW}$, tốc độ quay định danh $n_{dc} = 1425\text{ vg/ph}$. Tỷ số truyền chung của hệ thống là $u_{ch} = 242,35$, được phân bổ hợp lý:

  • Tỷ số truyền bộ truyền xích ngoài: $u_x = 2,5$.
  • Tỷ số truyền hộp giảm tốc: $u_h = 97$ (gồm cấp nhanh bánh răng trụ răng nghiêng $u_{br} = 2$ và cấp chậm trục vít $u_{tv} = 48,5$). Kết thúc chương, tác giả lập bảng xác định toàn bộ thông số công suất, số vòng quay và mômen xoắn trên từng trục từ trục động cơ đến trục IV.

Chương 3: Thiết kế bộ truyền xích

Chương này thực hiện thiết kế chi tiết bộ truyền xích ống con lăn 3 dãy truyền động giữa hộp giảm tốc và tang băng tải:

  • Thông số đầu vào: $P = 3,95\text{ kW}$, $n = 14,69\text{ vg/ph}$, $T = 2567,9\text{ Nm}$, tỷ số truyền $u = 2,5$.
  • Số răng đĩa xích: Đĩa dẫn $z_1 = 26\text{ răng}$, đĩa bị dẫn $z_2 = 65\text{ răng}$.
  • Bước xích tiêu chuẩn: $p_c = 31,75\text{ mm}$ (loại 3 dãy nhằm tránh tăng bước xích gây rung động va đập).
  • Khoảng cách trục: $a = 1226\text{ mm}$; Số mắt xích: $X = 124\text{ mắt}$; Chiều dài xích: $L = 3937\text{ mm}$.
  • Đường kính đĩa xích: Đĩa dẫn có đường kính vòng chia $d_1 = 263,41\text{ mm}$, vòng đỉnh $d_{a1} = 277,36\text{ mm}$, vòng đáy $d_{f1} = 244,17\text{ mm}$; Đĩa bị dẫn có $d_2 = 657,17\text{ mm}$, $d_{a2} = 672,28\text{ mm}$, $d_{f2} = 637,93\text{ mm}$.
  • Lực tác dụng: Lực vòng có ích $F_t = 19554,46\text{ N}$, lực tác dụng lên trục $F_r = 22487,63\text{ N}$.
  • Kết quả kiểm nghiệm: Số vòng quay bánh dẫn $n_1 = 14,69\text{ vg/ph} \le [n] = 630\text{ vg/ph}$; Số lần va đập trong 1 giây $i = 0,205 \le [i] = 16$; Hệ số an toàn $s = 10,95 \ge [s] = 7,4$; Áp suất bản lề xích $p_0 = 26,8\text{ MPa} \le [p_0] = 35\text{ MPa}$ (đạt mọi điều kiện bền).

Chương 4: Thiết kế các bộ truyền hộp giảm tốc

Chương 4 tính toán thiết kế 2 cấp truyền động bên trong vỏ hộp giảm tốc:

  1. Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng (Cấp nhanh):

    • Vật liệu: Bánh dẫn và bánh bị dẫn dùng thép 40Cr tôi cải thiện (độ rắn bánh nhỏ 270 HB, bánh lớn 250 HB).
    • Ứng suất cho phép: $[\sigma_H] = 434,45\text{ MPa}$, $[\sigma_{F1}] = 277,71\text{ MPa}$, $[\sigma_{F2}] = 257,14\text{ MPa}$.
    • Kích thước hình học: Khoảng cách trục $a_w = 100\text{ mm}$, môđun pháp $m = 2\text{ mm}$, góc nghiêng răng $\beta = 16,26^\circ$, số răng $z_1 = 32$, $z_2 = 64$.
    • Chiều rộng vành răng: Bánh dẫn $b_1 = 38\text{ mm}$, bánh bị dẫn $b_2 = 32\text{ mm}$.
    • Đường kính vòng chia: $d_1 = 66,67\text{ mm}$, $d_2 = 133,33\text{ mm}$.
    • Lực ăn khớp: Lực vòng $F_t = 1045,45\text{ N}$, lực hướng tâm $F_r = 396,37\text{ N}$, lực dọc trục $F_a = 304,92\text{ N}$.
    • Kiểm nghiệm: Ứng suất tiếp xúc thực tế $\sigma_H = 357,27\text{ MPa} \le [\sigma_H]$; Ứng suất uốn $\sigma_{F1} = 41,88\text{ MPa}$, $\sigma_{F2} = 42,09\text{ MPa} \le [\sigma_F]$ (đều đạt yêu cầu).

  2. Bộ truyền trục vít - bánh vít (Cấp chậm):

    • Vật liệu: Trục vít bằng thép 40Cr tôi bề mặt ($> 45\text{ HRC}$) mài nhẵn bóng; Bánh vít làm bằng đồng thanh không thiếc BCuAl9Fe4 đúc trong khuôn cát.
    • Thông số cơ bản: Tỷ số truyền $u = 48,5$, số mối ren trục vít $z_1 = 1$, số răng bánh vít $z_2 = 49$, môđun $m = 10\text{ mm}$, hệ số đường kính $q = 12,5$, góc nâng ren $\gamma = 4,57^\circ$, khoảng cách trục $a = 315\text{ mm}$, hiệu suất $\eta = 0,705$, vận tốc trượt $v_s = 4,68\text{ m/s}$.
    • Kích thước: Trục vít có $d_1 = 125\text{ mm}$, chiều dài ren $b_1 = 200\text{ mm}$; Bánh vít có $d_2 = 490\text{ mm}$, chiều rộng vành $b_2 = 110\text{ mm}$, đường kính ngoài lớn nhất $d_{aM2} = 540\text{ mm}$.
    • Lực tác dụng: Lực vòng bánh vít $F_{t2} = F_{a1} = 10481,22\text{ N}$; Lực vòng trục vít $F_{t1} = F_{a2} = 1129,37\text{ N}$; Lực hướng tâm $F_{r1} = F_{r2} = 3814,85\text{ N}$.
    • Kiểm nghiệm: Độ bền tiếp xúc bánh vít $\sigma_H = 167,15\text{ MPa} \le [\sigma_H] = 170\text{ MPa}$; Độ bền uốn bánh vít $\sigma_F = 11,83\text{ MPa} \le [\sigma_F] = 46,7\text{ MPa}$; Độ bền uốn trục vít $\sigma_F = 8,21\text{ MPa} \le [\sigma_F] = 80\text{ MPa}$; Độ võng trục vít $f = 0,007\text{ mm} \le [f] = 0,0625\text{ mm}$; Tính toán nhiệt độ dầu trong hộp giảm tốc $t_l = 61,9^\circ\text{C} \le [t_l] = 95^\circ\text{C}$.

  3. Chế độ bôi trơn:

    • Sử dụng dầu bôi trơn công nghiệp ISO VG 220 cho hộp giảm tốc. Cặp bánh răng ngâm dầu, cặp trục vít ngâm dầu kết hợp bánh tạt dầu để giảm nhiệt và hạn chế tổn hao công suất do khuấy dầu.
    • Ổ lăn trục II bôi trơn bằng dầu hộp số; Ổ lăn trục I và trục III bôi trơn bằng mỡ (có lắp vòng chắn dầu ngăn cách).

Chương 5: Thiết kế sơ bộ trục và chọn then

  • Khớp nối đàn hồi: Chọn khớp nối bu lông - vòng đàn hồi chế tạo bằng thép C45 với chốt $d_c = 14\text{ mm}$, $z = 6\text{ chốt}$, đường kính ngoài nối trục $D_0 = 100\text{ mm}$. Kiểm nghiệm bền uốn chốt $\sigma_F = 8,89\text{ MPa} \le 70\text{ MPa}$, bền dập cao su $\sigma_d = 0,375\text{ MPa} \le 3\text{ MPa}$. Lực tác dụng lên đầu trục I do khớp nối sinh ra là $F_{rk} = 250\text{ N}$.
  • Lựa chọn vật liệu trục: Trục I dùng thép C35; Trục II và trục III dùng thép C45 tôi cải thiện.
  • Xác định sơ bộ đường kính và chiều dài các đoạn trục:
    • Trục I: Đoạn lắp nối trục $d_A = 36\text{ mm}$, gối đỡ ổ lăn $d_B = d_D = 40\text{ mm}$, vị trí lắp bánh răng $d_C = 45\text{ mm}$; khoảng cách giữa 2 gối đỡ $L = 100\text{ mm}$.
    • Trục II: Đoạn lắp bánh răng $d_A = 45\text{ mm}$, gối đỡ $d_B = d_D = 60\text{ mm}$, đoạn trục vít $d_C = 65\text{ mm}$ (hiệu chỉnh lên $70\text{ mm}$ để lắp bánh tạt dầu); khoảng cách gối đỡ $L = 500\text{ mm}$.
    • Trục III: Đoạn lắp đĩa xích $d_A = 95\text{ mm}$, gối đỡ $d_B = d_D = 100\text{ mm}$, đoạn lắp bánh vít $d_C = 105\text{ mm}$; khoảng cách gối đỡ $L = 220\text{ mm}$.
  • Chọn kích thước then bằng tiêu chuẩn theo TCVN cho từng đoạn trục tương ứng.

Chương 6: Tính toán kiểm nghiệm trục và ổ

Tác giả thiết lập hệ phương trình phản lực gối đỡ trong hai mặt phẳng vuông góc ($Oxy$ và $Oxz$), vẽ biểu đồ mômen uốn tổng hợp và mômen xoắn cho 3 trục, xác định các tiết diện nguy hiểm nhất:

  • Kiểm nghiệm mỏi trục:
    • Trục I (tiết diện C - rãnh then bánh răng): Hệ số an toàn uốn $s_\sigma = 22,45$, xoắn $s_\tau = 63,51$, hệ số an toàn tổng hợp $s = 21,17 \ge [s] = 3$.
    • Trục II (tiết diện C - rãnh cắt ren trục vít): Hệ số an toàn uốn $s_\sigma = 4,10$, xoắn $s_\tau = 162,96$, hệ số an toàn tổng hợp $s = 4,10 \ge [s] = 3$.
    • Trục III (tiết diện B - vị trí lắp ổ lăn chịu mômen lớn): Hệ số an toàn uốn $s_\sigma = 5,40$, xoắn $s_\tau = 29,78$, hệ số an toàn tổng hợp $s = 5,31 \ge [s] = 3$.
  • Lựa chọn và kiểm nghiệm ổ lăn:
    • Trục I: Chọn ổ bi đỡ một dãy ký hiệu 208 tại gối D (khả năng tải động $C = 25,6\text{ kN}$, tải động tính toán $C_{tt} = 13,65\text{ kN} < C$, tuổi thọ $L_h = 163723\text{ giờ}$).
    • Trục II: Do lực dọc trục lớn ($F_a = 10176,3\text{ N}$), tác giả bố trí sơ đồ một đầu di động và một đầu cố định. Gối di động B lắp ổ bi đỡ 1 dãy ký hiệu 112 ($C = 24,1\text{ kN}$, $L_h = 159022\text{ giờ}$). Gối cố định D lắp cụm 2 ổ đũa côn để tiếp nhận toàn bộ lực dọc trục và nâng cao độ cứng vững.
    • Trục III: Chọn ổ đũa côn ký hiệu 7220 ($d = 100\text{ mm}$, $D = 180\text{ mm}$, bề rộng $B = 34\text{ mm}$).
  • Kiểm nghiệm mối ghép then: Toàn bộ then bằng trên 3 trục đều thỏa mãn điều kiện bền dập ($\sigma_d \le [\sigma_d] = 150\text{ MPa}$) và bền cắt ($\tau_c \le [\tau_c] = 80\text{ MPa}$).

Chương 7: Thiết kế hộp giảm tốc, các chi tiết phụ và dung sai lắp ghép

Chương cuối trình bày phương án kết cấu vỏ hộp giảm tốc đúc bằng gang xám, bố trí gân tăng cứng, nắp ổ, que thăm dầu kiểm tra mức dầu, nút thông hơi cân bằng áp suất và nút tháo dầu đáy hộp. Tác giả quy định các kiểu dung sai lắp ghép chính:

  • Lắp ghép bánh răng, bánh vít trên trục: Mối ghép có độ dôi tiêu chuẩn để truyền mômen xoắn kết hợp then.
  • Lắp ghép ổ lăn: Vòng trong ổ lăn lắp trên ngỗng trục theo hệ thống lỗ cơ bản (mối ghép trung gian có độ dôi nhẹ), vòng ngoài lắp vào lỗ thân hộp theo hệ thống trục cơ bản.
  • Lắp then bằng: Dung sai chiều rộng rãnh then trên trục và mayơ theo tiêu chuẩn TCVN.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế một hệ thống dẫn động cơ khí công nghiệp hoàn chỉnh với đầy đủ cơ sở lý thuyết, số liệu giải tích và bản vẽ kỹ thuật:

Hạng mục chi tiết Thông số tính toán thiết kế Giá trị kiểm nghiệm thực tế Tiêu chuẩn / Giới hạn cho phép Kết luận kỹ thuật
Động cơ điện Model 4A112M4Y3, $P = 5,5\text{ kW}$ $n = 1425\text{ vg/ph}$ $P_{ctt} = 5,36\text{ kW}$ Đủ công suất, làm việc tin cậy
Bộ truyền xích Xích ống con lăn 3 dãy, $p_c = 31,75\text{ mm}$ Áp suất $p_0 = 26,8\text{ MPa}$ $[p_0] = 35\text{ MPa}$ Đạt độ bền mòn bản lề
$z_1 = 26$, $z_2 = 65$, $a = 1226\text{ mm}$ Hệ số an toàn $s = 10,95$ $[s] = 7,4$ Đạt độ bền kéo đứt
Bánh răng cấp nhanh Răng nghiêng, $m = 2\text{ mm}$, $a_w = 100\text{ mm}$ Tiếp xúc $\sigma_H = 357,27\text{ MPa}$ $[\sigma_H] = 434,45\text{ MPa}$ Đạt độ bền tiếp xúc
Thép 40Cr, $z_1 = 32$, $z_2 = 64$ Uốn $\sigma_{F1} = 41,88\text{ MPa}$ $[\sigma_{F1}] = 277,71\text{ MPa}$ Đạt độ bền uốn chân răng
Trục vít cấp chậm Trục vít 40Cr - Bánh vít BCuAl9Fe4 Tiếp xúc $\sigma_H = 167,15\text{ MPa}$ $[\sigma_H] = 170,0\text{ MPa}$ Đạt độ bền tiếp xúc
$m = 10\text{ mm}$, $z_1 = 1$, $z_2 = 49$, $a = 315\text{ mm}$ Độ võng $f = 0,007\text{ mm}$ $[f] = 0,0625\text{ mm}$ Đạt độ cứng vững trục
Nhiệt độ dầu $t_l = 61,9^\circ\text{C}$ $[t_l] = 95,0^\circ\text{C}$ Cân bằng nhiệt tốt
Trục I (Cấp nhanh) Thép C35, $d_C = 45\text{ mm}$ An toàn mỏi $s = 21,17$ $[s] = 3,0$ Đạt độ bền mỏi
Trục II (Trung gian) Thép C45, $d_C = 70\text{ mm}$ An toàn mỏi $s = 4,10$ $[s] = 3,0$ Đạt độ bền mỏi
Trục III (Cấp chậm) Thép C45, $d_B = 100\text{ mm}$ An toàn mỏi $s = 5,31$ $[s] = 3,0$ Đạt độ bền mỏi

Đóng góp kỹ thuật chính:

  • Đưa ra giải pháp lựa chọn bộ truyền xích 3 dãy bước xích nhỏ ($31,75\text{ mm}$) thay vì loại 2 dãy bước xích lớn ($38,1\text{ mm}$), giúp giảm tải trọng động và chống ồn trong quá trình vận hành.
  • Ứng dụng giải pháp kết cấu gối đỡ hỗn hợp cho trục trung gian (gối di động lắp ổ bi đỡ và gối cố định lắp cụm ổ đũa côn kép), giải quyết bài toán chịu lực dọc trục rất lớn ($10176,3\text{ N}$) của bộ truyền trục vít mà vẫn bù trừ được giãn nở nhiệt của trục.
  • Tối ưu hóa phương án bôi trơn kết hợp: bánh răng ngâm dầu, trục vít dùng bánh tạt dầu hạn chế sục dầu sinh nhiệt, ổ lăn trục I và III bôi trơn bằng mỡ độc lập có vòng chắn dầu.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế: Quy trình tính toán chủ yếu dựa trên các công thức bán thực nghiệm và hệ số tra bảng theo tiêu chuẩn cổ điển, chưa áp dụng mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM/FEA) để phân tích tập trung ứng suất tại các góc lượn trục hoặc phân bố ứng suất tiếp xúc phi tuyến trên bề mặt răng.
  • Hướng mở rộng: Nghiên cứu ứng dụng các phần mềm CAD/CAE chuyên dụng (như Autodesk Inventor, SolidWorks, ANSYS) để mô phỏng động lực học toàn hệ thống, tối ưu hóa hình học vỏ hộp giảm tốc nhằm giảm khối lượng vật liệu đúc và tích hợp mạch điều khiển biến tần điều chỉnh dải tốc độ động cơ linh hoạt theo tải trọng làm việc thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo trực quan, chuẩn mực cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Chế tạo máy, Cơ điện tử khi thực hiện Đồ án Thiết kế máy, Đồ án Chi tiết máy và Luận văn tốt nghiệp đại học.
  • Kỹ sư thiết kế cơ khí trong việc tra cứu quy trình tính toán động học hệ dẫn động, phương pháp kiểm nghiệm độ bền bộ truyền bánh răng nghiêng, trục vít - bánh vít công suất lớn và phương pháp phân bổ kết cấu ổ đỡ chịu tải phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong bộ truyền xích tác giả lại chọn xích 3 dãy bước xích $31,75\text{ mm}$ thay vì xích 2 dãy?
Trả lời: Do công suất tính toán của bộ truyền lớn ($P_t = 11,26\text{ kW}$), nếu chọn xích 2 dãy thì bước xích bắt buộc phải tăng lên $38,1\text{ mm}$. Bước xích lớn sẽ làm tăng tải trọng động, gây va đập mạnh và tiếng ồn lớn khi ăn khớp. Do đó, tác giả chọn xích 3 dãy với bước xích $31,75\text{ mm}$ để đảm bảo độ bền mà bộ truyền vẫn vận hành êm.

2. Vật liệu chế tạo trục vít và bánh vít được chọn là gì và dựa trên tiêu chuẩn nào?
Trả lời: Dựa trên vận tốc trượt tính toán sơ bộ $v_s \approx 4,5\text{ m/s}$ ($< 5\text{ m/s}$), tác giả chọn bánh vít làm bằng đồng thanh không thiếc BCuAl9Fe4 đúc trong khuôn cát ($\sigma_{ch} = 200\text{ MPa}$, $\sigma_b = 400\text{ MPa}$) và trục vít làm bằng thép 40Cr tôi bề mặt đạt độ rắn $> 45\text{ HRC}$, sau đó được phay, mài và đánh bóng để giảm hệ số ma sát và chống dính răng.

3. Tại sao ở gối đỡ D của trục II (trục trung gian) lại phải bố trí cụm ổ đũa côn kép?
Trả lời: Trục II chịu lực dọc trục tổng hợp rất lớn ($F_a = 10176,3\text{ N}$) sinh ra từ phản lực của bộ truyền trục vít và lực dọc trục bánh răng nghiêng. Cụm 2 ổ đũa côn tại gối D tạo thành gối đỡ cố định chịu toàn bộ lực dọc trục theo cả hai chiều và nâng cao độ cứng vững cho trục vít, trong khi gối B lắp ổ bi đỡ làm gối di động để triệt tiêu độ giãn nở dài do nhiệt.

4. Phương pháp bôi trơn cho các bộ truyền và ổ lăn trong hộp giảm tốc được thiết kế như thế nào?
Trả lời: Hộp giảm tốc sử dụng dầu bôi trơn công nghiệp ISO VG 220. Bộ truyền bánh răng cấp nhanh được bôi trơn bằng phương pháp ngâm dầu với chiều sâu ngập dầu $h_{min} = 10\text{ mm}$. Bộ truyền trục vít ngâm dầu kết hợp bánh tạt dầu để tránh thất thoát công suất khuấy dầu. Các ổ lăn trên trục II bôi trơn chung bằng dầu hộp số, trong khi ổ lăn trên trục I và III được bôi trơn bằng mỡ và có bố trí vòng chắn dầu ngăn mỡ rò rỉ ra ngoài và ngăn dầu hộp số lọt vào.

5. Kết quả kiểm nghiệm hệ số an toàn về mỏi ($s$) của 3 trục có đạt yêu cầu thiết kế không?
Trả lời: Toàn bộ 3 trục đều thỏa mãn điều kiện bền mỏi với khoảng cách an toàn lớn so với hệ số an toàn cho phép $[s] = 3$. Cụ thể: Trục I đạt $s = 21,17$; Trục II đạt $s = 4,10$; Trục III đạt $s = 5,31$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống dẫn động băng tải" của sinh viên Nguyễn Tuấn Kiệt đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ nội dung tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu cơ khí theo đúng yêu cầu kỹ thuật của Đề 20 (Phương án 12). Mọi chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn, độ bền mỏi trục, tuổi thọ ổ lăn và khả năng cân bằng nhiệt đều được kiểm nghiệm đạt và vượt tiêu chuẩn TCVN. Công trình thể hiện năng lực tổng hợp kiến thức chuyên ngành cơ khí chế tạo máy vững vàng, là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao.