I. Khám Phá Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Dẫn Động Băng Tải
Một đồ án thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là một bài tập kỹ thuật tổng hợp, yêu cầu sinh viên vận dụng kiến thức từ nhiều môn học cốt lõi. Đây không chỉ là việc tạo ra các bản vẽ mà còn là một quy trình tính toán hệ thống dẫn động cơ khí một cách chi tiết và chính xác. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một cơ cấu hoàn chỉnh, có khả năng vận hành ổn định, đáp ứng các yêu cầu về tải trọng và vận tốc đặt ra. Trong bối cảnh của một đồ án đại học Bách Khoa TP.HCM, tiêu chuẩn học thuật và tính chính xác kỹ thuật được đặt lên hàng đầu. Sinh viên phải thực hiện từ khâu phân tích yêu cầu, lựa chọn phương án, chọn động cơ cho băng tải, thiết kế từng chi tiết máy như bộ truyền đai thang, hộp giảm tốc bánh răng, đến việc hoàn thiện thuyết minh đồ án băng tải và các bản vẽ cad băng tải chi tiết. Quá trình này mô phỏng công việc của một kỹ sư thiết kế thực thụ, từ đó trang bị những kỹ năng cần thiết cho sự nghiệp tương lai. Đồ án không chỉ là một bài kiểm tra kiến thức mà còn là một sản phẩm kỹ thuật, một minh chứng cho năng lực giải quyết vấn đề của sinh viên. Các tài liệu thiết kế máy, đặc biệt là các giáo trình kinh điển như của Trịnh Chất, là nền tảng không thể thiếu để hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ này.
1.1. Tầm quan trọng của hệ thống truyền động cơ khí
Hệ thống truyền động cơ khí là trái tim của hầu hết các máy móc và dây chuyền sản xuất công nghiệp. Chức năng chính của hệ thống này là truyền và biến đổi chuyển động cũng như momen từ nguồn phát (thường là động cơ điện) đến bộ phận công tác. Trong một hệ thống băng tải, bộ phận dẫn động quyết định đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của toàn bộ dây chuyền. Một thiết kế tối ưu sẽ đảm bảo băng tải hoạt động đúng vận tốc yêu cầu, đủ lực kéo để di chuyển vật liệu mà không gây quá tải cho động cơ, đồng thời tiết kiệm năng lượng. Việc thực hiện đồ án chi tiết máy về chủ đề này giúp sinh viên hiểu sâu sắc mối liên kết giữa lý thuyết và thực tiễn, từ việc xây dựng sơ đồ động học hệ thống đến tính toán độ bền cho từng chi tiết.
1.2. Yêu cầu đồ án chi tiết máy tại Đại học Bách Khoa
Theo yêu cầu của Khoa Cơ khí Bách Khoa TPHCM, một đồ án môn học Chi tiết máy hoặc Hệ thống truyền động đòi hỏi sự hoàn chỉnh cả về nội dung và hình thức. Sinh viên phải nộp một bộ hồ sơ bao gồm: một quyển thuyết minh đồ án băng tải chi tiết, trình bày tất cả các bước tính toán, lựa chọn và kiểm nghiệm. Kèm theo đó là các bản vẽ kỹ thuật theo tiêu chuẩn, bao gồm bản vẽ lắp hệ thống truyền động, bản vẽ lắp hộp giảm tốc bánh răng, và các bản vẽ chi tiết của các bộ phận tự thiết kế như trục, bánh răng. Việc sử dụng thành thạo các phần mềm như AutoCAD 2D băng tải và Solidworks thiết kế băng tải là yêu cầu bắt buộc để thể hiện ý tưởng thiết kế một cách trực quan và chính xác.
II. Phân Tích Bài Toán Thiết Kế Băng Tải Từ Số Liệu Gốc
Bước khởi đầu của mọi đồ án thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là phân tích các thông số đầu vào. Tài liệu gốc của Đại học Bách Khoa TP.HCM cung cấp các dữ liệu thiết kế cụ thể: Lực vòng băng tải F = 4890 N, vận tốc băng tải v = 0,76 m/s, và đường kính tang trống D = 330 mm. Các điều kiện làm việc như quay một chiều, làm việc 2 ca (300 giờ/năm, 8 giờ/ca) và thời gian phục vụ 4 năm là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc tính toán công suất động cơ và chọn hệ số an toàn. Từ các dữ liệu này, nhiệm vụ của người thiết kế là xác định công suất cần thiết trên trục công tác, sau đó quy đổi về công suất trên trục động cơ bằng cách tính toán hiệu suất của toàn hệ thống. Hệ thống trong đề tài bao gồm bộ truyền đai thang, hộp giảm tốc bánh răng nghiêng 1 cấp, khớp nối trục xích và các cặp ổ lăn. Mỗi thành phần này đều có một hiệu suất riêng, và hiệu suất tổng hợp sẽ quyết định công suất động cơ cần chọn. Việc phân tích chính xác bài toán ban đầu là nền tảng để các bước tính toán hệ thống dẫn động cơ khí sau này đi đúng hướng.
2.1. Cách xác định công suất động cơ và phân phối tỉ số truyền
Công suất làm việc trên trục máy công tác (trục tang trống) được tính bằng công thức P_ct = (F * v) / 1000. Với F = 4890 N và v = 0,76 m/s, công suất tính toán là 3,72 kW. Công suất cần thiết của động cơ được xác định bằng cách chia công suất trên trục công tác cho hiệu suất chung của hệ thống (η). Hiệu suất chung là tích của hiệu suất các bộ phận: đai (0.95), bánh răng (0.97), nối trục (0.98), và ổ lăn (0.99). Từ đó, công suất cần thiết được tính toán là 4,25 kW. Sau đó, tiến hành chọn động cơ cho băng tải có công suất lớn hơn và số vòng quay gần với số vòng quay sơ bộ đã tính. Tỉ số truyền chung sau đó được phân phối cho bộ truyền đai thang và hộp giảm tốc bánh răng, đảm bảo tỉ số truyền của mỗi bộ phận nằm trong giới hạn cho phép để tối ưu hóa kết cấu và hiệu suất.
2.2. Các thách thức khi lựa chọn vật liệu chế tạo băng tải
Việc lựa chọn vật liệu chế tạo băng tải và các chi tiết máy là một quyết định quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền, tuổi thọ và chi phí của hệ thống. Đối với các chi tiết chịu tải trọng lớn và mài mòn cao như bánh răng, vật liệu thường được chọn là thép hợp kim như Thép 45X, sau đó được tôi cải thiện để đạt độ rắn bề mặt cần thiết (ví dụ: 280 HB cho bánh dẫn và 270 HB cho bánh bị dẫn). Đối với trục và then, vật liệu phổ biến là Thép 45 thường hóa hoặc tôi cải thiện. Lựa chọn vật liệu không chỉ dựa trên cơ tính mà còn phải cân nhắc đến khả năng gia công và tính kinh tế. Thách thức nằm ở việc cân bằng giữa các yếu tố này để tạo ra một thiết kế vừa đảm bảo an toàn kỹ thuật, vừa có chi phí hợp lý, phù hợp với một đồ án tốt nghiệp cơ khí.
III. Hướng Dẫn Tính Toán Bộ Truyền Ngoài Và Hộp Giảm Tốc
Sau khi đã xác định được công suất và phân phối tỉ số truyền, giai đoạn tiếp theo là đi vào thiết kế chi tiết các bộ phận truyền động. Quy trình này bao gồm hai phần chính: thiết kế bộ truyền ngoài và thiết kế hộp giảm tốc. Bộ truyền ngoài, trong đồ án này là bộ truyền đai thang, có nhiệm vụ giảm sơ bộ tốc độ từ động cơ và truyền momen xoắn đến trục vào của hộp giảm tốc. Việc tính toán bao gồm chọn loại đai, xác định đường kính bánh đai, tính khoảng cách trục, chiều dài đai và số lượng đai cần thiết để đảm bảo không bị trượt. Phần cốt lõi của thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là hộp giảm tốc bánh răng. Đây là cơ cấu phức tạp nhất, đòi hỏi tính toán hệ thống dẫn động cơ khí một cách tỉ mỉ. Các bước bao gồm chọn vật liệu, xác định ứng suất cho phép, tính toán các thông số ăn khớp (mô-đun, số răng), kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn của răng. Mỗi quyết định trong giai đoạn này đều phải dựa trên các công thức và bảng tra từ tài liệu thiết kế máy chuẩn, đảm bảo độ tin cậy và chính xác.
3.1. Quy trình thiết kế bộ truyền đai thang tối ưu
Thiết kế bộ truyền đai thang bắt đầu bằng việc chọn loại đai dựa trên công suất truyền và số vòng quay của trục dẫn. Trong đồ án mẫu, với công suất 4,25 kW và tốc độ 960 vg/ph, đai thang loại B được lựa chọn. Tiếp theo, đường kính bánh đai nhỏ và lớn được xác định dựa trên tỉ số truyền đã tính. Sau đó, khoảng cách trục và chiều dài đai được tính toán sơ bộ và chọn theo tiêu chuẩn. Một bước quan trọng là kiểm tra góc ôm trên bánh đai nhỏ, đảm bảo giá trị này đủ lớn để tránh trượt. Cuối cùng, số dây đai được tính toán dựa trên công suất cho phép trên mỗi đai và các hệ số điều chỉnh. Toàn bộ thông số của bộ truyền đai, bao gồm lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục, được tổng hợp lại để phục vụ cho việc thiết kế trục sau này.
3.2. Thiết kế chi tiết hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng
Thiết kế hộp giảm tốc bánh răng trụ răng nghiêng là phần trọng tâm. Vật liệu được chọn là thép 45X tôi cải thiện. Đầu tiên, khoảng cách trục được xác định sơ bộ dựa trên momen xoắn, tỉ số truyền và ứng suất tiếp xúc cho phép. Từ đó, mô-đun và số răng của cặp bánh răng được tính toán. Góc nghiêng của răng cũng được xác định lại để đảm bảo khoảng cách trục là một số tiêu chuẩn. Sau khi có đầy đủ các thông số hình học, các lực tác dụng lên bộ truyền (lực vòng, lực hướng tâm, lực dọc trục) được tính toán. Bước quan trọng nhất là kiểm nghiệm bền cho bánh răng, bao gồm kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn. Các giá trị ứng suất tính toán phải nhỏ hơn giá trị cho phép để đảm bảo bánh răng không bị phá hủy trong quá trình làm việc. Đây là một phần không thể thiếu trong mọi thuyết minh đồ án băng tải.
IV. Phương Pháp Thiết Kế Trục Then Và Chọn Chi Tiết Máy
Thiết kế trục là một trong những chương quan trọng nhất của đồ án chi tiết máy. Trục có nhiệm vụ đỡ các chi tiết quay như bánh răng, bánh đai và truyền momen xoắn. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc chọn vật liệu, thường là Thép 45. Đường kính trục được xác định sơ bộ tại các tiết diện nguy hiểm dựa trên momen tương đương và ứng suất cho phép. Sau đó, kết cấu trục được phác thảo, xác định chiều dài các đoạn trục và vị trí lắp các chi tiết. Biểu đồ momen uốn và momen xoắn được xây dựng để xác định chính xác các tiết diện chịu tải lớn nhất. Tại các tiết diện này, trục được kiểm nghiệm bền mỏi. Hệ số an toàn tính được phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép. Các chi tiết tiêu chuẩn như ổ lăn và khớp nối trục được lựa chọn dựa trên đường kính trục, tải trọng tác dụng và điều kiện làm việc. Việc chọn ổ lăn đòi hỏi phải kiểm nghiệm khả năng tải động và tĩnh để đảm bảo tuổi thọ yêu cầu của hệ thống.
4.1. Tính toán và kiểm nghiệm bền cho trục và then
Việc tính toán thiết kế trục và then được thực hiện cho cả trục đầu vào và trục đầu ra của hộp giảm tốc. Đầu tiên, các lực từ bộ truyền đai và bộ truyền bánh răng tác dụng lên trục được xác định. Dựa vào các lực này, các phản lực tại gối đỡ (ổ lăn) được tính toán. Sau đó, biểu đồ momen uốn trong hai mặt phẳng (Oxy, Oxz) và biểu đồ momen xoắn được vẽ. Từ đó, momen uốn tổng hợp và momen tương đương được xác định tại các tiết diện quan trọng. Đường kính tại các tiết diện này được tính toán và chọn theo tiêu chuẩn. Cuối cùng, trục được kiểm nghiệm về độ bền mỏi. Then được chọn dựa vào đường kính trục và được kiểm nghiệm bền dập và bền cắt để đảm bảo khả năng truyền tải momen xoắn mà không bị phá hủy.
4.2. Lựa chọn ổ lăn và khớp nối trục theo tải trọng
Việc chọn ổ lăn dựa trên tải trọng hướng tâm và dọc trục tác dụng lên gối đỡ, cũng như đường kính lắp trục. Trong đồ án, ổ bi đỡ một dãy được chọn cho các vị trí chịu tải nhỏ và vừa. Sau khi chọn được loại ổ, cần phải thực hiện kiểm nghiệm khả năng tải động. Tuổi thọ tính toán của ổ (tính bằng triệu vòng quay) phải lớn hơn hoặc bằng tuổi thọ yêu cầu của thiết kế. Khớp nối trục (nối trục xích) được chọn để nối trục ra của hộp giảm tốc với trục của tang trống băng tải. Việc lựa chọn dựa trên momen xoắn cần truyền và đường kính trục. Khớp nối phải có khả năng truyền hết momen và cho phép bù trừ sai lệch nhỏ khi lắp ráp.
V. Hoàn Thiện Thuyết Minh Và Bản Vẽ Kỹ Thuật Cho Đồ Án
Giai đoạn cuối cùng của đồ án thiết kế hệ thống dẫn động băng tải là tổng hợp tất cả các kết quả tính toán vào một quyển thuyết minh hoàn chỉnh và thể hiện thiết kế thông qua các bản vẽ kỹ thuật. Quyển thuyết minh đồ án băng tải không chỉ là một bản báo cáo mà còn là một tài liệu kỹ thuật, phải được trình bày một cách logic, rõ ràng, với đầy đủ các chương mục từ giới thiệu, tính toán chọn động cơ, thiết kế các bộ truyền, thiết kế trục, chọn chi tiết máy, đến thiết kế vỏ hộp và dung sai lắp ghép. Mỗi bước tính toán đều phải có công thức, diễn giải và kết quả cụ thể. Phần bản vẽ kỹ thuật là phần thể hiện trực quan nhất sản phẩm thiết kế. Nó yêu cầu sinh viên phải có kỹ năng sử dụng thành thạo các phần mềm CAD/CAM như AutoCAD hoặc Solidworks. Một bộ bản vẽ CAD băng tải đầy đủ, đúng tiêu chuẩn kỹ thuật là minh chứng rõ ràng nhất cho một đồ án tốt nghiệp cơ khí thành công.
5.1. Cấu trúc một bài thuyết minh đồ án băng tải chuẩn
Một bài thuyết minh đồ án băng tải chuẩn mực thường bao gồm các chương sau: Chương 1 - Tính toán chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền; Chương 2 - Thiết kế bộ truyền ngoài (đai, xích); Chương 3 - Thiết kế hộp giảm tốc bánh răng; Chương 4 - Thiết kế các trục truyền; Chương 5 - Chọn và kiểm nghiệm các chi tiết máy tiêu chuẩn như ổ lăn, khớp nối trục; Chương 6 - Thiết kế vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ; Chương 7 - Chọn dung sai lắp ghép và dầu bôi trơn. Mỗi chương cần trình bày rõ ràng cơ sở lý thuyết, các bước tính toán, kết quả và bảng tổng hợp thông số. Việc trích dẫn các tài liệu thiết kế máy tham khảo là bắt buộc để đảm bảo tính học thuật và độ tin cậy.
5.2. Triển khai bản vẽ CAD băng tải bằng AutoCAD và Solidworks
Việc triển khai bản vẽ CAD băng tải là bước hiện thực hóa các tính toán. Sinh viên thường được yêu cầu thực hiện một bộ bản vẽ khổ A0, bao gồm: bản vẽ lắp chung toàn bộ hệ thống dẫn động, bản vẽ lắp chi tiết hộp giảm tốc bánh răng, và một số bản vẽ chi tiết các bộ phận tự thiết kế (ví dụ: trục I, bánh răng bị dẫn). AutoCAD thường được sử dụng cho các bản vẽ 2D, trong khi Solidworks thiết kế băng tải cho phép dựng mô hình 3D, giúp kiểm tra sự va chạm, mô phỏng hoạt động và xuất ra các bản vẽ 2D một cách nhanh chóng và chính xác. Các bản vẽ phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về đường nét, kích thước, dung sai và ghi chú kỹ thuật.
