I. Hướng Dẫn Thiết Kế Hệ Thống Thùng Trộn Từ A Z Cho Đồ Án
Việc thực hiện một đồ án chi tiết máy về thiết kế hệ thống thùng trộn là một nhiệm vụ cốt lõi đối với sinh viên ngành cơ khí. Đồ án này không chỉ là bài kiểm tra kiến thức lý thuyết về hệ dẫn động cơ khí mà còn đòi hỏi kỹ năng ứng dụng thực tế vào việc tính toán, lựa chọn và thiết kế từng bộ phận. Mục tiêu của một hệ thống thùng trộn là đảm bảo quá trình khuấy trộn vật liệu diễn ra hiệu quả, ổn định và bền bỉ trong suốt vòng đời hoạt động. Quá trình thiết kế bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp, từ việc phân tích các yêu cầu ban đầu như năng suất và đặc tính vật liệu, cho đến việc lựa chọn động cơ điện 3 pha, tính toán các bộ truyền động như bộ truyền đai và hộp giảm tốc, và cuối cùng là hoàn thiện bản vẽ 2D Autocad và mô hình 3D Solidworks. Mỗi bước đi đều cần sự chính xác và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật. Tài liệu này sẽ trình bày một cách hệ thống các bước cần thiết, dựa trên các số liệu và phương pháp tính toán cụ thể, để hoàn thành một thuyết minh đồ án hoàn chỉnh và đạt yêu cầu kỹ thuật cao, giúp người học nắm vững quy trình và áp dụng hiệu quả.
1.1. Mục tiêu và tầm quan trọng của đồ án truyền động cơ khí
Đồ án truyền động cơ khí với đề tài thiết kế hệ thống thùng trộn giữ một vai trò quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí. Mục tiêu chính là hệ thống hóa kiến thức về các chi tiết máy và hệ thống truyền động, bao gồm hộp giảm tốc, bộ truyền đai, bộ truyền xích, trục và ổ lăn. Sinh viên phải áp dụng lý thuyết sức bền vật liệu để tính toán và kiểm nghiệm độ bền cho từng chi tiết. Tầm quan trọng của đồ án không chỉ nằm ở việc hoàn thành một môn học, mà còn là cơ hội để rèn luyện tư duy thiết kế, khả năng giải quyết vấn đề kỹ thuật thực tế. Thông qua việc tự mình tính toán công suất động cơ, phân phối tỷ số truyền, và lựa chọn vật liệu chế tạo, người học sẽ có được kinh nghiệm quý báu, gần với công việc của một kỹ sư thiết kế trong tương lai. Việc hoàn thiện một thuyết minh đồ án chi tiết và các bản vẽ kỹ thuật chính xác thể hiện năng lực tổng hợp và trình độ chuyên môn của sinh viên.
1.2. Tổng quan về cấu trúc hệ thống thùng trộn công nghiệp
Một hệ thống thùng trộn công nghiệp điển hình bao gồm các thành phần chính được liên kết với nhau để tạo thành một hệ dẫn động cơ khí hoàn chỉnh. Nguồn động lực chính là động cơ điện 3 pha, có nhiệm vụ cung cấp momen xoắn và tốc độ quay ban đầu. Động cơ này thường được kết nối với một hộp giảm tốc thông qua một bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích để giảm tốc độ và tăng momen xoắn. Bên trong hộp giảm tốc là các cặp bánh răng được tính toán cẩn thận để đạt được tỷ số truyền yêu cầu. Trục ra của hộp giảm tốc được nối với trục khuấy thông qua một khớp nối. Trên trục khuấy, cánh khuấy được lắp đặt để thực hiện nhiệm vụ khuấy trộn vật liệu bên trong bồn chứa công nghiệp. Toàn bộ hệ thống được đặt trên một khung bệ vững chắc. Việc lựa chọn vật liệu chế tạo, ví dụ như inox 304 cho các bộ phận tiếp xúc với hóa chất, là cực kỳ quan trọng để đảm bảo độ bền và an toàn vệ sinh.
II. Phương Pháp Xác Định Thông Số Chọn Động Cơ Thùng Trộn
Giai đoạn đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế hệ thống thùng trộn là xác định chính xác các thông số làm việc và lựa chọn nguồn động lực phù hợp. Sai sót trong giai đoạn này sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các bước tính toán về sau. Quá trình này bắt đầu bằng việc phân tích các yêu cầu đầu vào được cho trước, như năng suất (kg/giờ), đường kính thùng trộn, và trọng lượng vật liệu. Từ đó, các thông số quan trọng như tốc độ quay của thùng và công suất trên trục công tác phải được tính toán. Dựa trên công suất yêu cầu và hiệu suất của toàn hệ thống, công suất cần thiết của động cơ sẽ được xác định. Việc lựa chọn động cơ không chỉ dựa vào công suất mà còn phải xem xét tốc độ đồng bộ để tính toán sơ bộ tỷ số truyền toàn hệ thống. Đây là cơ sở để phân phối tỷ số truyền cho các bộ phận như bộ truyền đai và hộp giảm tốc, đảm bảo hệ thống vận hành đúng tốc độ yêu cầu với sai số cho phép. Các tính toán này phải được ghi lại cẩn thận trong thuyết minh đồ án.
2.1. Phân tích và tính toán công suất trên trục công tác
Việc tính toán công suất trên trục công tác là bước nền tảng. Dựa trên tài liệu gốc, với các thông số đầu vào như năng suất Q = 14500 kg/h và đường kính thùng D = 0,55 m, tốc độ quay của thùng được xác định là n_ct = 69,93 vòng/phút. Công suất trên trục công tác (P_ct) là tổng của ba thành phần: công suất nâng vật liệu (P1), công suất trộn vật liệu (P2), và công suất mất mát do ma sát (P3). Theo tính toán [1], các giá trị này lần lượt là P1 = 1,776 kW, P2 = 2,9247 kW, và P3 = 0,4701 kW. Do đó, tổng công suất yêu cầu trên trục công tác được xác định là P_ct = 5,1713 kW. Đây là con số then chốt để tiến hành các bước tiếp theo trong quy trình công nghệ thiết kế.
2.2. Cách chọn động cơ điện 3 pha và phân phối tỉ số truyền
Từ công suất trên trục công tác, công suất cần thiết trên trục động cơ (P_dct) được tính toán bằng cách chia cho hiệu suất toàn hệ thống (η ≈ 0.88). Kết quả là P_dct = 5,9010 kW [2]. Dựa vào giá trị này, một động cơ điện 3 pha không đồng bộ được lựa chọn. Trong đồ án này, động cơ ABB mã M2QA - 132M4A với công suất 7.5 kW và tốc độ 1430 vòng/phút được chọn. Số vòng quay sơ bộ cần thiết của hệ thống là n_sb = 1398,52 vòng/phút, gần với tốc độ của động cơ đã chọn. Tỷ số truyền sơ bộ của toàn hệ thống là u_sb = 20. Tỷ số này được phân phối cho bộ truyền đai (u_đai = 4) và bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc (u_br = 5). Việc phân phối này là cơ sở để bắt đầu thiết kế chi tiết từng bộ truyền.
III. Bí Quyết Tính Toán Bộ Truyền Đai và Hộp Giảm Tốc Chính Xác
Sau khi đã có động cơ và phân phối tỷ số truyền, bước tiếp theo là thiết kế chi tiết các bộ phận truyền động chính: bộ truyền đai và bộ truyền bánh răng (cấu thành hộp giảm tốc). Đây là phần cốt lõi của đồ án truyền động cơ khí, đòi hỏi sự chính xác cao trong tính toán để đảm bảo hệ thống hoạt động êm ái, bền bỉ và hiệu quả. Đối với bộ truyền đai, các thông số như loại đai, đường kính bánh đai, khoảng cách trục, và số dây đai cần được xác định. Quá trình này không chỉ dựa trên công thức mà còn phải tra cứu các bảng tiêu chuẩn để đảm bảo tính thực tiễn. Tương tự, việc thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng yêu cầu lựa chọn vật liệu chế tạo (ví dụ thép C45), xác định ứng suất cho phép, tính toán các thông số ăn khớp như mô-đun và số răng, sau đó kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc và độ bền uốn để đảm bảo an toàn. Mỗi quyết định thiết kế đều phải được luận giải rõ ràng trong thuyết minh đồ án.
3.1. Thiết kế bộ truyền đai thang và xác định thông số hình học
Với công suất truyền P = 5,9010 kW và tỷ số truyền u ≈ 4, loại đai thang tiết diện B được lựa chọn. Đường kính bánh đai dẫn được chọn là d1 = 180 mm và bánh bị dẫn là d2 = 710 mm. Khoảng cách trục sau khi tính toán và hiệu chỉnh theo chiều dài đai tiêu chuẩn L = 2800 mm là a = 646,7 mm [2]. Góc ôm trên bánh đai nhỏ α1 được kiểm nghiệm là 133,29°, lớn hơn giá trị tối thiểu cho phép, đảm bảo khả năng truyền tải. Số dây đai cần thiết được tính toán là z = 2 sợi, dựa trên công suất cho phép của một sợi đai và các hệ số điều chỉnh. Cuối cùng, lực căng ban đầu trên mỗi sợi đai và lực tác dụng lên trục được xác định để phục vụ cho việc tính toán thiết kế trục ở các bước sau. Lực tác dụng tổng cộng lên trục là F_r = 1090,8 N.
3.2. Tính toán bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng cho hộp giảm tốc
Đây là phần quan trọng nhất trong thiết kế hộp giảm tốc. Vật liệu cho cặp bánh răng được chọn là thép C45, tôi cải thiện cho bánh dẫn (245 HB) và thường hóa cho bánh bị dẫn (230 HB). Ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép được xác định dựa trên độ cứng và các hệ số an toàn [2]. Khoảng cách trục sơ bộ được tính là a_w ≈ 192,38 mm, và được chọn chẵn thành a_w = 195 mm. Từ đó, các thông số ăn khớp được xác định: mô-đun m = 3, số răng z1 = 21 và z2 = 106, góc nghiêng răng β = 12,33°. Sau khi có các thông số, việc kiểm nghiệm bền là bắt buộc. Ứng suất tiếp xúc thực tế σ_H = 481,12 MPa nhỏ hơn ứng suất cho phép [σ_H] = 495,64 MPa. Tương tự, ứng suất uốn cũng thỏa mãn điều kiện bền. Các lực tác dụng lên bộ truyền (lực vòng, lực hướng tâm, lực dọc trục) được tính toán để thiết kế trục và chọn ổ lăn.
IV. Quy Trình Thiết Kế Trục Then và Lựa Chọn Ổ Lăn Tối Ưu
Trục là chi tiết máy quan trọng, có nhiệm vụ đỡ các bộ phận quay và truyền momen xoắn. Việc thiết kế hệ thống thùng trộn đòi hỏi phải tính toán và thiết kế ít nhất hai trục chính: trục trung gian (trục I) và trục công tác (trục II). Quá trình này bắt đầu bằng việc xác định các lực tác dụng lên trục từ bộ truyền đai và bánh răng. Sau đó, một sơ đồ kết cấu trục được phác thảo để xác định khoảng cách giữa các gối đỡ (ổ lăn) và điểm đặt lực. Đường kính các đoạn trục được tính sơ bộ dựa trên điều kiện bền xoắn, sau đó được tính toán chính xác và kiểm nghiệm lại theo điều kiện bền mỏi. Việc chọn then và khớp nối cũng phải dựa trên momen truyền và đường kính trục tương ứng. Cuối cùng, việc lựa chọn ổ lăn phù hợp dựa trên tải trọng hướng tâm, tải trọng dọc trục và tuổi thọ yêu cầu là bước cuối cùng để hoàn thiện cụm trục, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và lâu dài.
4.1. Phân tích lực và tính toán sức bền vật liệu cho các trục
Việc phân tích lực tác dụng lên các trục được thực hiện trên hai mặt phẳng vuông góc (xOz và yOz). Từ đó, các biểu đồ momen uốn và momen xoắn được xây dựng. Các tiết diện nguy hiểm, thường là tại vị trí lắp ổ lăn hoặc các chi tiết truyền động, được xác định. Tại các tiết diện này, đường kính trục được tính toán dựa trên momen tương đương theo thuyết bền III hoặc IV. Ví dụ, tại tiết diện C trên trục I, momen tương đương là M_tdC = 254957 N.mm, cho ra đường kính yêu cầu d_c ≥ 34,3 mm. Sau khi chọn đường kính tiêu chuẩn (d_c = 34 mm), trục phải được kiểm nghiệm lại về độ bền mỏi. Hệ số an toàn bền mỏi được tính toán phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép (thường từ 1.5 đến 2.5). Các kết quả kiểm nghiệm trong đồ án này đều cho thấy các trục được thiết kế thỏa mãn điều kiện sức bền vật liệu [2].
4.2. Phương pháp lựa chọn ổ lăn và khớp nối phù hợp
Lựa chọn ổ lăn dựa trên phản lực tại các gối đỡ và tuổi thọ yêu cầu của hệ thống (L_h = 18000 giờ). Ví dụ, tại gối đỡ D trên trục I, lực hướng tâm là F_rD = 3870,7 N. Dựa vào đường kính ngõng trục d = 30 mm, ổ bi đỡ một dãy mã 6406 được lựa chọn [5]. Sau đó, khả năng tải động của ổ được kiểm nghiệm. Tuổi thọ tính toán của ổ là L_10h = 34851 giờ, lớn hơn tuổi thọ yêu cầu, do đó lựa chọn là hợp lý. Đối với khớp nối giữa trục II và trục khuấy, momen xoắn tính toán là T_t = 1078675 N.mm. Dựa vào giá trị này và đường kính trục d = 60 mm, một khớp nối vòng đàn hồi được chọn. Các chi tiết của khớp nối như chốt và vòng đàn hồi cũng được kiểm nghiệm bền dập và bền uốn để đảm bảo an toàn khi làm việc.
V. Hoàn Thiện Vỏ Hộp Giảm Tốc Xuất Bản Vẽ Kỹ Thuật
Giai đoạn cuối cùng trong thiết kế hệ thống thùng trộn là thiết kế vỏ hộp giảm tốc và các chi tiết phụ, đồng thời hoàn thiện bộ hồ sơ kỹ thuật. Vỏ hộp không chỉ có chức năng bao bọc, bảo vệ các chi tiết bên trong mà còn dùng để định vị chính xác vị trí tương đối giữa các trục và ổ lăn, đồng thời chứa dầu bôi trơn. Việc thiết kế vỏ hộp đòi hỏi phải tính toán các kích thước cơ bản như chiều dày thân, nắp, gân tăng cứng và mặt bích dựa trên khoảng cách trục. Các chi tiết phụ như que thăm dầu, nút thông hơi, nút tháo dầu và bu lông vòng cũng cần được lựa chọn theo tiêu chuẩn. Sau khi hoàn tất các tính toán, bước quan trọng nhất là thể hiện toàn bộ thiết kế qua các bản vẽ 2D Autocad và mô hình 3D Solidworks. Đây là kết quả cuối cùng, thể hiện toàn bộ quá trình làm việc và là tài liệu quan trọng để chế tạo và lắp ráp.
5.1. Nguyên tắc thiết kế kết cấu vỏ hộp và các chi tiết phụ
Thiết kế vỏ hộp giảm tốc tuân theo các nguyên tắc về độ cứng vững, khả năng tản nhiệt và tính công nghệ. Chiều dày thân hộp (δ) và nắp hộp (δ1) được xác định theo công thức kinh nghiệm, ví dụ δ = 0,03*a + 3 [3]. Với khoảng cách trục a=195 mm, chiều dày thân hộp được chọn là 9 mm. Các gân tăng cứng được bố trí tại vị trí lắp ổ lăn để tăng độ cứng vững. Các kích thước của bu lông nền, bu lông cạnh ổ, và mặt bích cũng được tiêu chuẩn hóa để dễ dàng lắp ráp và tháo gỡ. Các chi tiết phụ như que thăm dầu giúp kiểm tra mức dầu, nút thông hơi giúp cân bằng áp suất, và nút tháo dầu phục vụ cho việc bảo dưỡng, đều được lựa chọn từ các bảng tiêu chuẩn [3] để đảm bảo tính năng và khả năng lắp lẫn.
5.2. Vai trò của bản vẽ 2D Autocad và mô hình 3D Solidworks
Bản vẽ kỹ thuật là ngôn ngữ của người kỹ sư. Trong một đồ án chi tiết máy, việc trình bày thiết kế thông qua bản vẽ là tối quan trọng. Mô hình 3D Solidworks cho phép hình dung một cách trực quan toàn bộ hệ dẫn động cơ khí, kiểm tra sự va chạm giữa các chi tiết và mô phỏng quá trình lắp ráp. Từ mô hình 3D, việc xuất các bản vẽ 2D Autocad trở nên nhanh chóng và chính xác. Bộ bản vẽ hoàn chỉnh phải bao gồm: bản vẽ lắp chung của toàn bộ hệ thống, bản vẽ lắp của hộp giảm tốc, và các bản vẽ chi tiết của các bộ phận quan trọng như trục, bánh răng, bánh đai. Các bản vẽ này phải thể hiện đầy đủ kích thước, dung sai, yêu cầu kỹ thuật và vật liệu, là cơ sở pháp lý cho quy trình công nghệ chế tạo sau này.
