Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng tại Việt Nam, nhu cầu khai thác khoáng sản, vật liệu đá phục vụ xây dựng (đá làm bờ kè, đá trải nền, đá đổ bê tông nhà và cầu) cũng như xuất khẩu than đá tăng trưởng liên tục. Để phân loại vật liệu theo các quy cách kích thước tiêu chuẩn, lưới sàng kim loại mắt vuông là bộ phận then chốt trong các hệ thống máy sàng rung quán tính, sàng rung lệch tâm và sàng tang quay.

Tại thời điểm thực hiện đề tài, khoảng 90% sản phẩm lưới thép trên thị trường đã chuyển dịch sang sản xuất bằng máy móc nhằm thay thế phương pháp thủ công truyền thống. Tuy nhiên, các dòng máy đan lưới nhập khẩu từ Đức, Nhật Bản hoặc Trung Quốc thường có giá thành cao và khó khăn trong công tác bảo trì, sửa chữa tại chỗ. Ngược lại, phương thức đan lưới thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm: năng suất thấp, tốn nhiều sức lao động, tỷ lệ sản phẩm lỗi cao và đặc biệt rất khó gia công các loại lưới khổ lớn sử dụng sợi thép đường kính lớn (thép phi lớn).

Trước thực trạng đó, nhóm tác giả tiến hành đề tài "Thiết kế, chế tạo máy đan lưới sàng đá sử dụng hệ thống thủy lực" (tiếp thu và hoàn thiện từ kết quả nghiên cứu của các khóa trước) nhằm cung cấp giải pháp máy đan lưới nội địa hóa, kết cấu bền vững, chi phí hợp lý và dễ vận hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể:

  1. Hoàn thiện kết cấu cơ khí thân máy và các cụm chấp hành.
  2. Hoàn thiện hệ thống truyền dẫn thủy lực, hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công.
  3. Chế tạo và gia công thử nghiệm máy bằng cách đan các loại lưới có kích thước sợi khác nhau (đặc biệt là sợi có đường kính lớn) để đánh giá độ ổn định và hiệu chỉnh thông số vận hành.
  4. Xây dựng hồ sơ bản vẽ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh gồm bản vẽ lắp tổng thể máy, bản vẽ lắp cụm chi tiết và bản vẽ chi tiết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy đan lưới thép sàng đá mắt vuông phục vụ sàng lọc vật liệu xây dựng và khoáng sản.
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; tập trung vào cơ cấu truyền động thủy lực và kết cấu thép chịu lực cho khổ lưới quy chuẩn $2\text{ m} \times 4\text{ m}$.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án tốt nghiệp hoàn thành vào tháng 07/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng phối hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, truyền động thủy lực và khoa học vật liệu:

  • Tiêu chuẩn vật liệu lưới sàng: Vật liệu sợi lưới sử dụng thép carbon cao (hàm lượng $\text{C} \ge 0{,}82%$) có khả năng chống mài mòn và chịu va đập mạnh, mác thép SW-B theo tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS G-3521.
  • Cơ sở lý thuyết thủy lực:
    • Tính toán và phân loại xi lanh thủy lực tác dụng kép.
    • Ứng dụng bơm thể tích (bơm bánh răng ăn khớp ngoài cho dải áp suất trung bình $10 \div 250\text{ Bar}$, bơm cánh gạt).
    • Khung lý thuyết tính toán lưu lượng chất lỏng chảy qua khe hở van tiết lưu theo công thức Torricelli: $$q_v = \mu \cdot A_1 \cdot \sqrt{\frac{2\cdot \Delta p}{\rho}}$$
    • Cơ sở định cỡ thùng dầu thủy lực cố định theo công thức kinh nghiệm: $$V = (3 \div 5) \cdot q_v$$ (trong đó $V$ là thể tích thùng dầu tính bằng lít, $q_v$ là lưu lượng bơm tính bằng lít/phút).
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Phân tích chu trình đan lưới thủ công 5 bước để mô hình hóa thành các nguyên lý chuyển động cơ khí tương đương.
    • Phương pháp so sánh phương án: Đánh giá ưu nhược điểm giữa phương án truyền động xích - động cơ điện và phương án truyền dẫn thủy lực toàn phần.
    • Phương pháp thiết kế mô hình 3D và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D, tính toán trọng lượng các cụm và thực hiện mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) nhằm kiểm nghiệm ứng suất, độ dịch chuyển (chuyển vị) của kết cấu khung máy, cụm trượt dọc và cụm trượt ngang.
    • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo máy thực tế và tiến hành chạy thử nghiệm đan lưới sợi thép đường kính $\varnothing 15\text{ mm}$ với kích thước mắt lưới vuông $145\text{ mm}$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

So sánh và lựa chọn phương án truyền động

Nhóm tác giả đã xây dựng và phân tích hai phương án công nghệ trước khi đi vào thiết kế chi tiết:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 (Hệ thống thủy lực) Phương án 2 (Động cơ điện kết hợp bộ truyền xích)
Cơ cấu chia lưới Xi lanh đứng kết hợp thanh răng - bánh răng và lược di động/cố định Cụm chia lưới gắn trên hai nhánh xích truyền động bởi động cơ qua bộ truyền pulley
Khả năng chịu tải Rất cao, chống quá tải tốt, tạo lực ép lớn phù hợp sợi thép lớn Kém hơn, động cơ phải đảo chiều liên tục, phụ thuộc công suất kéo
Độ linh hoạt Đan được nhiều dải sợi từ nhỏ đến rất lớn ($\varnothing 2{,}5 \div \varnothing 15\text{ mm}$) Phù hợp chủ yếu cho lưới sợi nhỏ, hành trình lên xuống bị giới hạn
Tốc độ chia lưới Cần căn chỉnh thủ công các cữ chia Thao tác chia sợi diễn ra nhanh
Kết luận lựa chọn Được lựa chọn để chế tạo thực tế Dùng làm cơ sở tham khảo cho hướng cải tiến máy đan lưới nhỏ

Kiến trúc các cụm cơ khí chính

Máy đan lưới thép được kết cấu thành 4 cụm chức năng chính:

  1. Khung máy: Chế tạo từ thép kết cấu mác CT3 với các thanh thép định hình chữ I, H, U được hàn liên kết vững chắc, chịu toàn bộ tải trọng tĩnh và động của các cơ cấu gắn kèm.
  2. Cụm chia lưới: Gồm xi lanh thủy lực đứng, hệ thống thanh lược di động và cố định có các răng xen kẽ để tách các thanh thép dọc thành hai nhóm chẵn - lẻ, tạo khe hở cho thanh ngang đi qua.
  3. Cụm trượt ngang: Sử dụng khung thép định hình U100 kết hợp hệ thống 4 con lăn và ổ bi để dẫn hướng tịnh tiến theo phương ngang.
  4. Cụm trượt dọc: Bố trí xi lanh thủy lực nằm ngang dưới bàn đỡ, kết hợp các con lăn đỡ tấm lưới, có nhiệm vụ ép dồn thanh ngang vào đúng vị trí cữ chặn để định hình mắt lưới.
       [ Khung máy chính (Thép định hình CT3: I, H, U) ]
                              |
       +----------------------+----------------------+
       |                                             |
[ Cụm chia lưới ]                             [ Bàn trượt ngang ]
(Xi lanh đứng + Thanh lược)                   (Thép U100 + Con lăn)
       |                                             |
[ Khe hở chẵn / lẻ ]                          [ Cụm trượt dọc ]
       |                                      (Xi lanh ngang đẩy dồn)
       +----------------------+----------------------+
                              |
                 [ Tấm lưới hoàn thiện ]

Hệ thống truyền dẫn và điều khiển thủy lực

Hệ thống thủy lực của máy bao gồm:

  • Nguồn cấp thủy lực: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (hoặc bơm cánh gạt) kết hợp động cơ điện truyền động. Thùng dầu dung tích tiêu chuẩn có vách ngăn lọc cặn bẩn, tách bọt khí, tích hợp bộ lọc dầu đường hút, nắp thăm dầu, thước đo mức dầu và rơ le/van an toàn trực tiếp BUCG.
  • Cơ cấu phân phối và điều khiển: Van đảo chiều $4/3$ điều khiển hướng chuyển động của piston, van tiết lưu tinh chỉnh vận tốc tịnh tiến và van một chiều có điều khiển (van chống tụt) nhằm giữ ổn định vị trí làm việc dưới áp lực tải trọng lớn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày chi tiết tính cấp thiết của việc cơ giới hóa khâu đan lưới sàng trong bối cảnh ngành công nghiệp xây dựng và khai thác khoáng sản tại Việt Nam đang phát triển mạnh. Văn bản hệ thống hóa quy trình khai thác đá xây dựng qua 4 giai đoạn: chuẩn bị mặt bằng mỏ; khoan nổ mìn phá vỉa đá thành đá hộc; bốc xúc vận chuyển vào dây chuyền; nghiền và sàng tách thành phẩm theo kích cỡ (đá mi sàng, đá mi bụi, đá $0\times 4$, đá $1\times 2$). Đồng thời, chương này phân loại các thiết bị nghiền sàng chính như máy nghiền ép vỡ, máy sàng lồng (tang quay), máy sàng rung lệch tâm và sàng rung quán tính.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung làm rõ các tiêu chuẩn kỹ thuật của lưới sàng đá mắt vuông và nguyên lý thủy lực ứng dụng:

  • Tiêu chuẩn sợi thép: Thống kê yêu cầu giới hạn bền kéo của thép lò xo SW-B theo đường kính.
Đường kính sợi thép ($\text{mm}$) Giới hạn độ bền kéo ($\text{MPa}$)
$\varnothing 1{,}5$ $1370 \div 1520$
$\varnothing 5{,}0$ $1320 \div 1520$
$\varnothing 13{,}0$ $1030 \div 1230$
  • Cấu tạo phần tử thủy lực: Phân tích chi tiết 12 bộ phận cấu thành xi lanh thủy lực (ổ bi cầu, ống xi lanh, quả piston, cổ xi lanh, gioăng TPM, gioăng GDS, gioăng TTI, gioăng GHK gạt bụi, vòng đệm O-ring). Phân loại bơm thể tích (bơm bánh răng ăn khớp trong/ngoài, bơm cánh gạt, bơm piston hướng trục/hướng kính) và nguyên lý hoạt động của các cụm van áp suất, van đảo chiều, van tiết lưu, thùng dầu 2 ngăn.

Chương 3: Phương án thực hiện đề tài

Chương 3 phân tích quy trình 5 bước đan lưới thủ công:

  1. Sắp xếp các thanh thép dọc theo cữ khoảng cách.
  2. Bẻ gập xen kẽ các thanh dọc (nhóm chẵn hoặc lẻ) lên trên.
  3. Đưa thanh thép ngang thứ nhất vào khe hở, đập phẳng thanh dọc xuống để kẹp giữ.
  4. Bẻ nhóm thanh dọc đối diện lên để tạo khe hở kế tiếp.
  5. Luồn thanh ngang thứ hai và dùng búa đóng dồn thanh ngang sát vào vị trí chuẩn theo kích thước mắt lưới, lặp lại chu kỳ.

Từ quy trình trên, nhóm tác giả đề xuất hai sơ đồ động học máy, thực hiện so sánh kỹ thuật và lựa chọn Phương án 1 (dẫn động thủy lực). Tiếp đó, chương này trình bày thiết kế kết cấu 3D cho 4 cụm máy, tính toán lực uốn thanh thép theo mô hình dầm ngàm một đầu tự do một đầu, tính chọn đường kính xi lanh đứng, xi lanh ngang, công suất bơm và bố trí mạch thủy lực.

Chương 4: Hoàn thiện kết cấu cơ khí của máy

Chương 4 tập trung vào công tác kiểm nghiệm bền kết cấu thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm SolidWorks Simulation:

  • Cụm trượt dọc và bàn trên: Thiết lập điều kiện biên ngàm cố định tại 4 vị trí gối đỡ, đặt tải trọng phân bố đều $F_1$ và phản lực uốn $F_2$, xuất biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises và phân bố chuyển vị đàn hồi.
  • Cụm trượt ngang: Cân bằng khối lượng và phân tích biến dạng cục bộ dưới tác động của lực kẹp phôi.
  • Khung máy tổng thể: Kiểm tra ứng suất tổng hợp khi đồng thời cả xi lanh đứng và xi lanh ngang hoạt động với tải trọng cực đại, đảm bảo biến dạng nằm trong giới hạn cho phép của thép kết cấu CT3.

Chương 5: Thử nghiệm đánh giá

Chương 5 ghi lại kết quả vận hành thực tế của máy sau khi lắp ráp hoàn thiện. Máy đã thực hiện thành công việc đan thử nghiệm lưới thép sợi lớn đường kính $\varnothing 15\text{ mm}$ với kích thước ô vuông $145\text{ mm}$. Từ kết quả này, nhóm tác giả đề xuất phương án cải tiến cụm chia lưới sử dụng xích và động cơ đảo chiều dành riêng cho dòng máy chuyên đan sợi thép nhỏ, nhằm tăng tốc độ chu kỳ làm việc.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công máy hoàn chỉnh: Máy đan lưới thép sử dụng hệ thống thủy lực có kích thước phủ bì thực tế $3077 \times 2889 \times 1802\text{ mm}$.
  • Dải làm việc: Khả năng gia công các loại lưới sợi thép có đường kính từ $\varnothing 2{,}5\text{ mm}$ đến $\varnothing 15\text{ mm}$.
  • Độ chính xác gia công: Đảm bảo độ chính xác cao về hình dạng mắt lưới, sai số kích thước đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của khách hàng trong ngành khai thác đá.
  • Hồ sơ thiết kế: Hoàn thành tập bản vẽ kỹ thuật chi tiết bao gồm bản vẽ lắp tổng thể máy, bản vẽ lắp từng cụm và bản vẽ chế tạo chi tiết rời.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Ứng dụng kết cấu truyền động thủy lực kết hợp thanh lược phân loại xen kẽ để xử lý bài toán biến dạng dẻo của các sợi thép carbon cao đường kính lớn mà động cơ điện thông thường khó đảm đương.
  • Sử dụng van an toàn trực tiếp và van một chiều có điều khiển để triệt tiêu hiện tượng tụt áp và trôi bàn trượt khi giữ tải trong lúc đưa thanh ngang vào.

Đóng góp về mặt học thuật và thực tiễn

  • Kế thừa, hiệu chỉnh và hoàn thiện thành công mô hình nghiên cứu từ thế hệ sinh viên khóa K12 để chuyển đổi thành một máy công tác hoạt động thực tế.
  • Làm chủ quy trình tính toán, thiết kế cơ khí và mô phỏng CAE (SolidWorks Simulation) tích hợp với hệ thống thủy lực công nghiệp cho máy chuyên dụng trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Quá trình gia công đan lưới khi các cơ cấu va đập định hình vẫn phát ra tiếng ồn lớn.
  • Mức độ tự động hóa chưa hoàn toàn khép kín; hệ thống vẫn yêu cầu 2 công nhân trực tiếp thao tác điều khiển và đưa thanh ngang vào khe lưới.
  • Thao tác chia lưới cho các loại sợi thép nhỏ còn tốn thời gian căn chỉnh do sử dụng cơ cấu phân loại bằng thanh răng - bánh răng thủ công.

Hướng nghiên cứu phát triển

  • Tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn (ứng dụng PLC hoặc vi điều khiển) để đồng bộ hóa chu kỳ ép của xi lanh và cơ cấu cấp phôi tự động.
  • Triển khai chế tạo module chia lưới kiểu nhánh xích đảo chiều (theo phương án nghiên cứu ở Chương 5) để tối ưu hóa năng suất khi đan các loại lưới có đường kính sợi nhỏ.
  • Nghiên cứu giải pháp giảm chấn, cách âm kết cấu khung nhằm giảm thiểu độ ồn phát sinh trong quá trình vận hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Máy xây dựng: Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết về tính toán thiết kế máy công cụ cỡ lớn, tính toán công suất thủy lực, lựa chọn phần tử làm kín và quy trình thiết kế mô phỏng kiểm bền kết cấu trên phần mềm SolidWorks.
  • Kỹ sư thiết kế máy và các xưởng sản xuất cơ khí: Tham khảo phương án bố trí không gian trượt 2 trục (dọc - ngang), kết cấu thùng dầu 2 khoang tiêu chuẩn và giải pháp công nghệ đan lưới thép mắt vuông thay thế phương pháp thủ công.
  • Các đề tài nghiên cứu tiếp nối: Sử dụng số liệu kiểm bền của khung máy CT3 và kích thước thực tế làm dữ liệu đầu vào để phát triển hệ thống cấp phôi tự động hóa hoàn toàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước tổng thể và khả năng đan của máy sau khi chế tạo hoàn chỉnh là bao nhiêu?

Theo công bố trong tài liệu, máy đan lưới sau khi chế tạo hoàn chỉnh có kích thước ba chiều $(Dài \times Rộng \times Cao)$ là $3077 \times 2889 \times 1802\text{ mm}$, có khả năng đan các loại lưới thép với đường kính sợi dao động từ $\varnothing 2{,}5\text{ mm}$ đến $\varnothing 15\text{ mm}$.

2. Loại vật liệu nào được lựa chọn để đan lưới sàng đá và tiêu chuẩn cơ tính quy định ra sao?

Vật liệu đan lưới sử dụng dây thép carbon cao (hàm lượng $\text{C} \ge 0{,}82%$) mác thép SW-B theo tiêu chuẩn JIS G-3521. Ví dụ, sợi đường kính $\varnothing 1{,}5\text{ mm}$ và $\varnothing 5\text{ mm}$ có độ bền kéo đạt $1320 \div 1520\text{ MPa}$, sợi $\varnothing 13\text{ mm}$ có độ bền kéo đạt $1030 \div 1230\text{ MPa}$. Khung máy sử dụng thép kết cấu mác CT3.

3. Tại sao nhóm nghiên cứu lại chọn hệ thống thủy lực (Phương án 1) thay vì động cơ điện kéo xích (Phương án 2)?

Nhóm tác giả chọn Phương án 1 vì hệ thống thủy lực có khả năng tạo lực ép uốn rất lớn, chịu quá tải tốt, kết cấu các cụm cơ khí độc lập dễ bố trí và đặc biệt có thể gia công được các loại lưới có sợi thép đường kính lớn (lên tới $\varnothing 15\text{ mm}$) mà động cơ điện thông thường khó đáp ứng do phải đảo chiều liên tục và dễ quá tải.

4. Trong thử nghiệm thực tế ở Chương 5, máy đã thực hiện đan thành công loại lưới nào?

Trong chương thử nghiệm và đánh giá, máy đã tiến hành đan thực nghiệm thành công sản phẩm lưới thép sử dụng sợi thép đường kính $\varnothing 15\text{ mm}$ với kích thước mắt lưới vuông tiêu chuẩn $145\text{ mm}$.

5. Những nhược điểm chính mà nhóm tác giả tự đánh giá sau khi chế tạo máy là gì?

Tác giả nêu rõ 3 nhược điểm: quá trình máy làm việc còn phát ra tiếng ồn lớn, máy chưa đạt mức độ tự động hóa hoàn toàn (vẫn cần 2 người cùng tham gia vận hành và cấp thanh ngang), và tốc độ căn chỉnh chia lưới đối với các loại sợi thép nhỏ còn chậm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế máy đan lưới sàng đá sử dụng hệ thống thủy lực" đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ giới hóa công đoạn đan lưới thép công nghiệp phục vụ sàng tuyển khoáng sản tại Việt Nam. Công trình đã hiện thực hóa từ khâu mô hình hóa quy trình đan thủ công, phân tích kết cấu cơ khí, tính toán mạch thủy lực công suất lớn cho đến mô phỏng kiểm bền kết cấu và gia công chế tạo máy thực tế kích thước $3077 \times 2889 \times 1802\text{ mm}$. Mặc dù còn hạn chế về độ ồn và mức độ tự động hóa, sản phẩm chế tạo thành công đã minh chứng tính khả thi cao trong việc gia công lưới thép sợi lớn ($\varnothing 15\text{ mm}$), đóng góp một giải pháp máy chuyên dụng nội địa hóa hiệu quả và mở ra hướng phát triển hoàn thiện hệ thống tự động hóa trong tương lai.