Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến gỗ, máy cưa xẻ gỗ CD nằm ngang đóng vai trò quan trọng với tốc độ lưỡi cắt có thể đạt đến 24 m/s, góp phần nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ của Việt Nam đạt khoảng 6,9 tỷ USD năm 2015, đưa nước ta trở thành quốc gia xuất khẩu gỗ lớn thứ tư thế giới. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, bánh đà của máy cưa CD thường gặp phải vấn đề mất cân bằng động, gây rung động, giảm tuổi thọ vòng bi và ảnh hưởng đến độ chính xác cũng như công suất máy. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế một máy cân bằng động trục đứng cho bánh đà của máy cưa CD, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003(E), nhằm giảm thiểu lượng mất cân bằng dư tối đa dưới 16×10³ g·mm, với tốc độ quay từ 380 đến 600 vòng/phút.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bánh đà có chiều dày 100 mm, đường kính ngoài từ 400 đến 1100 mm, khối lượng từ 92 đến 252 kg, được sản xuất tại công ty Tân Phước Đông, tỉnh Tiền Giang. Việc thiết kế máy cân bằng động không chỉ giúp nâng cao hiệu quả vận hành máy cưa CD mà còn góp phần giảm thiểu tiếng ồn, hao mòn chi tiết và tăng tuổi thọ thiết bị, từ đó cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành chế biến gỗ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cân bằng rô to, bao gồm:

  • Mất cân bằng tĩnh: Xảy ra khi trọng tâm rô to lệch khỏi trục quay, gây ra lực quán tính ly tâm không đổi theo chu kỳ, làm phát sinh rung động và mô-men xoắn không mong muốn.
  • Mất cân bằng động (mất cân bằng ngẫu lực): Phát sinh khi có hai lực quán tính ly tâm đặt trên hai mặt phẳng khác nhau của rô to, tạo thành ngẫu lực gây rung động phức tạp hơn.
  • Mất cân bằng hỗn hợp: Kết hợp giữa mất cân bằng tĩnh và động, phổ biến trong thực tế, đặc biệt với các chi tiết có chiều dày lớn theo trục quay như bánh đà.
  • Tiêu chuẩn cân bằng động ISO 1940-1:2003(E): Đưa ra các cấp độ chất lượng cân bằng, lượng mất cân bằng dư cho phép dựa trên khối lượng rô to, tốc độ quay và đặc tính cấu tạo, giúp xác định dung sai cân bằng phù hợp.

Ngoài ra, các phương pháp cân bằng một mặt phẳng và hai mặt phẳng được áp dụng tùy theo đặc điểm rô to, với các kỹ thuật đo biên độ và pha dao động để xác định vị trí và lượng khối lượng cần điều chỉnh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập tại công ty Tân Phước Đông, với cỡ mẫu gồm các bánh đà máy cưa CD có kích thước và khối lượng theo yêu cầu kỹ thuật. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện các bánh đà đang sử dụng trong thực tế sản xuất.

Phân tích dữ liệu dựa trên:

  • Đo biến dạng trục bánh đà dưới tác dụng lực quán tính bằng cảm biến tiệm cận (inductive proximity sensor).
  • Xử lý tín hiệu thu được để xác định độ lệch pha và lượng mất cân bằng.
  • Áp dụng mô hình cân bằng động trục đứng để tính toán và thiết kế máy cân bằng phù hợp.
  • Thực nghiệm cân bằng bánh đà trên máy thiết kế, đánh giá hiệu quả qua các chỉ số rung động và lượng mất cân bằng còn lại.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2016, bao gồm khảo sát lý thuyết, thiết kế, chế tạo máy cân bằng, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả đo biến dạng trục bằng cảm biến tiệm cận: Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến tiệm cận có khả năng đo biến dạng trục bánh đà với độ chính xác cao, giúp xác định chính xác pha và lượng mất cân bằng. Biên độ biến dạng đo được dao động trong khoảng 0,05 đến 0,15 mm tùy theo mức độ mất cân bằng.

  2. Lượng mất cân bằng dư tối đa đạt dưới 16×10³ g·mm: Sau khi cân bằng trên máy thiết kế, lượng mất cân bằng dư của bánh đà giảm đáng kể, đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra theo tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003(E). So với mức mất cân bằng ban đầu, lượng mất cân bằng giảm trung bình khoảng 70%.

  3. Giảm rung động và tăng tuổi thọ vòng bi: Thực nghiệm tại nhà máy cho thấy rung động của máy cưa CD giảm khoảng 50% sau khi cân bằng bánh đà, đồng thời tuổi thọ vòng bi ước tính tăng lên ít nhất 30% nhờ giảm tải động.

  4. Thiết kế máy cân bằng đơn giản, dễ vận hành: Máy cân bằng động trục đứng được thiết kế với cấu trúc cơ khí và hệ thống xử lý tín hiệu tự động, phù hợp với điều kiện sản xuất tại các nhà máy cơ khí trong nước, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian bảo dưỡng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của mất cân bằng bánh đà là do dung sai chế tạo, biến dạng nhiệt và hao mòn trong quá trình vận hành. Việc sử dụng cảm biến tiệm cận để đo biến dạng trục là giải pháp hiệu quả, cho phép xác định chính xác lượng mất cân bằng và vị trí cần điều chỉnh. So sánh với các nghiên cứu trong nước về máy cân bằng động, kết quả này tương đồng với các công trình đã thương mại hóa máy cân bằng động HnB100, nhưng có cải tiến về thiết kế phù hợp với bánh đà máy cưa CD.

Việc giảm rung động không chỉ nâng cao độ chính xác cắt mà còn giảm thiểu tiếng ồn và hao mòn thiết bị, góp phần tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên độ rung động trước và sau cân bằng, cũng như bảng thống kê lượng mất cân bằng dư và tuổi thọ vòng bi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sử dụng máy cân bằng động trục đứng trong các nhà máy sản xuất máy cưa CD: Động tác này giúp giảm lượng mất cân bằng dư xuống dưới mức cho phép, nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể là các nhà máy cơ khí chế tạo máy cưa.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo dưỡng máy cân bằng: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật cân bằng động và xử lý tín hiệu cảm biến, nhằm đảm bảo vận hành chính xác và hiệu quả. Thời gian đào tạo dự kiến 3 tháng, do các trường đại học kỹ thuật phối hợp với doanh nghiệp thực hiện.

  3. Nâng cấp hệ thống cảm biến và xử lý tín hiệu tự động: Áp dụng công nghệ cảm biến hiện đại và phần mềm phân tích dữ liệu để tăng độ chính xác và tự động hóa quá trình cân bằng. Thời gian nghiên cứu và triển khai 12 tháng, do các trung tâm nghiên cứu công nghệ cơ khí đảm nhiệm.

  4. Xây dựng quy trình kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ bánh đà: Thiết lập quy trình kiểm tra mất cân bằng và bảo dưỡng bánh đà định kỳ nhằm duy trì chất lượng cân bằng trong suốt vòng đời máy. Thời gian áp dụng ngay sau khi máy cân bằng được đưa vào sử dụng, do bộ phận bảo trì nhà máy thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế và chế tạo máy công nghiệp: Nghiên cứu cung cấp kiến thức và phương pháp thiết kế máy cân bằng động phù hợp với bánh đà, giúp cải tiến sản phẩm và nâng cao chất lượng máy móc.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên vận hành nhà máy chế biến gỗ: Hiểu rõ nguyên nhân và giải pháp giảm rung động, từ đó tối ưu hóa quy trình bảo dưỡng và vận hành máy cưa CD.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, cơ khí: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết cân bằng rô to, tiêu chuẩn ISO và ứng dụng thực tế trong thiết kế máy cân bằng.

  4. Doanh nghiệp sản xuất máy móc và thiết bị công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm máy cân bằng động trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cân bằng động trục đứng có ưu điểm gì so với các loại máy khác?
    Máy cân bằng động trục đứng có cấu trúc đơn giản, dễ vận hành và bảo dưỡng, phù hợp với các chi tiết lớn như bánh đà. Thiết kế này giúp đo chính xác biến dạng trục và xử lý tín hiệu hiệu quả, giảm rung động và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003(E) áp dụng như thế nào trong cân bằng bánh đà?
    Tiêu chuẩn này quy định cấp độ chất lượng cân bằng, lượng mất cân bằng dư cho phép dựa trên khối lượng và tốc độ quay của rô to. Việc áp dụng giúp đảm bảo bánh đà đạt yêu cầu kỹ thuật, giảm rung động và hư hỏng trong quá trình vận hành.

  3. Cảm biến tiệm cận hoạt động ra sao trong việc đo biến dạng trục?
    Cảm biến tiệm cận đo khoảng cách giữa đầu cảm biến và bề mặt trục bánh đà, từ đó xác định biến dạng trục do lực quán tính gây ra. Tín hiệu thu được được xử lý để xác định pha và lượng mất cân bằng chính xác.

  4. Làm thế nào để xác định vị trí và lượng khối lượng cần điều chỉnh khi cân bằng?
    Dựa trên biên độ và pha dao động đo được, sử dụng phương pháp véc tơ hoặc phương pháp 4 lần chạy không đo pha để tính toán vị trí và lượng khối lượng cần thêm hoặc bớt nhằm đạt trạng thái cân bằng.

  5. Việc cân bằng động có ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ vòng bi?
    Cân bằng động giúp giảm rung động và tải trọng không đều lên vòng bi, từ đó giảm mài mòn và hư hỏng, kéo dài tuổi thọ vòng bi lên ít nhất 30% theo kết quả thực nghiệm tại nhà máy.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy cân bằng động trục đứng cho bánh đà máy cưa CD, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 1940-1:2003(E).
  • Sử dụng cảm biến tiệm cận để đo biến dạng trục giúp xác định chính xác lượng mất cân bằng và vị trí điều chỉnh.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy lượng mất cân bằng dư giảm trung bình 70%, rung động giảm 50%, tuổi thọ vòng bi tăng 30%.
  • Máy cân bằng có thiết kế đơn giản, dễ vận hành, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng máy cưa CD.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi, đào tạo kỹ thuật viên và nâng cấp công nghệ để phát triển bền vững trong ngành cơ khí chế tạo máy.

Hành động tiếp theo là tổ chức đào tạo vận hành máy cân bằng, triển khai áp dụng tại các nhà máy sản xuất máy cưa CD và nghiên cứu nâng cấp hệ thống cảm biến để tăng độ chính xác và tự động hóa. Độc giả và các đơn vị liên quan được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.