Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưới sàng đá là cấu kiện không thể thiếu trong các dây chuyền khai thác và chế biến khoáng sản, xây dựng hạ tầng. Quy trình sản xuất lưới sàng đá đòi hỏi phôi thép lò xo phải trải qua nhiều nguyên công liên tiếp: nắn thẳng, cắt theo chiều dài định sẵn, dập gờ, lăn gờ, và đan lưới. Trong đó, nguyên công dập gờ đóng vai trò then chốt, yêu cầu thiết bị có lực ép đủ lớn, hoạt động ổn định và có độ bền kết cấu cao trong điều kiện vận hành liên tục.

Tại thời điểm thực hiện đề tài (2016), nhiều cơ sở sản xuất lưới sàng đá trong nước vẫn thiếu tài liệu kỹ thuật hệ thống cho loại máy dập chuyên dụng phục vụ nguyên công này. Đề tài được thực hiện từ tháng 03/2016 đến tháng 07/2016 bởi hai sinh viên Huỳnh Quang Phong (MSSV: 12143518) và Lưu Kim Tùng (MSSV: 12143250), thuộc Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Huy Tuân.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tính toán các thông số động học và động lực học của cơ cấu khuỷu–biên–đầu trượt trên máy dập lò xo công suất 50 tấn.
  2. Thiết kế các kết cấu máy chính: động cơ, bộ truyền đai, hộp giảm tốc bánh răng, trục, cơ cấu ly hợp, phanh, thanh truyền, thân máy.
  3. Kiểm bền các chi tiết quan trọng bằng tính toán giải tích và bằng phần mềm ANSYS 16.

Đối tượng và phạm vi: Máy dập thép lò xo kiểu trụ khuỷu–thanh truyền, thân hở, lực ép danh nghĩa P = 50 tấn, phục vụ nguyên công dập gờ trong dây chuyền sản xuất lưới sàng đá. Nghiên cứu giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế và kiểm bền lý thuyết; không bao gồm chế tạo và thử nghiệm thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đề tài vận dụng lý thuyết biến dạng dẻo kim loại (trượt và song tinh trong đơn tinh thể, biến dạng trong đa tinh thể) cùng các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo (nhiệt độ, thành phần tổ chức, trạng thái ứng suất chính, tốc độ biến dạng) làm nền tảng chọn phương án gia công. Nguyên công dập gờ được thực hiện ở trạng thái nguội trên phôi thép lò xo.

Về cơ học máy, nhóm áp dụng lý thuyết cơ cấu tay quay–thanh truyền (khuỷu–biên–đầu trượt): phân tích hành trình, vận tốc và gia tốc đầu trượt; tính lực danh nghĩa, lực quán tính, lực tiếp tuyến và pháp tuyến tác dụng lên các khâu. Công thức cắt hình/đột lỗ được dùng để xác định lực ép tối thiểu.

Thiết kế chi tiết dựa trên các tài liệu kỹ thuật được dẫn chiếu trực tiếp trong văn bản:

  • Tài liệu [1]: Bảng phụ lục 3 (trang 250) – chọn thông số máy dập; Phụ lục 4 (trang 264) – tính chiều dài thanh truyền.
  • Tài liệu [2]: Bảng 2.3 (trang 19) – hiệu suất các bộ truyền; Phụ lục P1.2 (trang 235) – chọn động cơ điện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phân tích lý thuyết: Tính toán động học (hành trình, vận tốc, gia tốc đầu trượt; vận tốc và gia tốc góc thanh truyền) và động lực học (phân tích lực trên cơ cấu, momen tác dụng lên trục khuỷu).
  • Thiết kế kỹ thuật: Chọn thông số, kích thước và vật liệu từng kết cấu; tính toán sức bền theo lý thuyết sức bền vật liệu.
  • Mô phỏng số: Kiểm tra độ bền khung máy bằng phần mềm ANSYS 16 (phân tích phần tử hữu hạn – FEA).

Nguồn dữ liệu

Thông số kỹ thuật tra bảng từ tài liệu chuyên ngành cơ khí; các thông số đầu vào được xác định từ yêu cầu công nghệ thực tế của nguyên công dập gờ trong dây chuyền sản xuất lưới sàng đá.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I – Giới thiệu về các phương pháp gia công áp lực và máy sàng đá

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về gia công kim loại bằng áp lực: khái niệm biến dạng dẻo (trượt và song tinh trong đơn tinh thể; biến dạng trong nội bộ hạt và vùng tinh giới hạt trong đa tinh thể); các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo (nhiệt độ, thành phần và tổ chức kim loại, trạng thái ứng suất chính, tốc độ biến dạng). Các phương pháp gia công áp lực chính gồm cán, kéo, ép, rèn, dập tấm được điểm qua, trong đó dập tấm nguội được làm rõ về đặc điểm và phạm vi ứng dụng.

Phần quan trọng của chương là mô tả quy trình sản xuất lưới sàng đá, bao gồm hai nhánh tùy đường kính phôi:

  • Với dây thép có đường kính ≥ 5 mm: nắn thẳng (A1) → cắt (B1) → dập gờ (C1).
  • Với dây thép có đường kính < 5 mm: lăn gờ (A2) → cắt (B2).

Vật liệu phôi là thép lò xo dạng cuộn. Công thức tính khoảng cách tâm giữa hai gờ được xác lập: L' = 2(A + D), trong đó A là bề rộng lỗ lưới (mm), D là đường kính dây thép (mm).

Chương II – Giới thiệu về các loại máy dập và chọn phương án thiết kế

Chương so sánh ba kiểu máy dập phổ biến:

Loại máy dập Lực ép Ưu điểm Nhược điểm
Trụ khuỷu–thanh truyền 16 – 10.000 kN Năng suất cao, tổn hao ít Hành trình điều chỉnh hẹp
Thủy lực Lực lớn Lực ép lớn, điều khiển linh hoạt Chế tạo phức tạp, bảo dưỡng khó
Ma sát trụ vít 40 – 630 tấn Hành trình điều chỉnh rộng Tốc độ dập không lớn

Ngoài ra, chương đề cập cơ cấu cam và cơ cấu đòn như phương án thay thế nhưng đánh giá là dễ hoạt động không ổn định với công suất lớn. Dựa trên yêu cầu năng suất, chi phí bảo trì và điều kiện sản xuất thực tế, nhóm chọn máy dập trụ khuỷu–thanh truyền thân hở với lực ép danh nghĩa P = 50 tấn. Nguyên lý hoạt động: động cơ → bộ truyền đai → bánh răng nhỏ → trục khuỷu → thanh truyền → đầu trượt (chuyển động tịnh tiến). Cơ cấu ly hợp và phanh điều khiển chu trình dập.

Chương III – Tính toán động học và tĩnh học cơ cấu khuỷu–biên–đầu trượt

Chương xác lập đầy đủ các thông số động học của cơ cấu tay quay–thanh truyền:

Thông số cơ bản đã chọn:

  • Hành trình đầu trượt: S = 100 mm; bán kính lệch tâm trục khuỷu: R = 50 mm.
  • Chiều dài thanh truyền: L = 500 mm; hệ số tay biên: λ = R/L = 0,1.
  • Số hành trình đầu trượt: n = 80 lần/phút.
  • Góc làm việc của trục khuỷu: φ = 30°.
  • Vận tốc lớn nhất của đầu trượt: V_max = 0,133 m/s (tương ứng góc làm việc 82°–85°); thỏa điều kiện V_max < 0,6 m/s của máy ép sản xuất trong nước.

Công suất máy: N = P × V = 50 × 0,133 = 6,65 kW. Các phương trình hành trình, vận tốc (đạo hàm bậc nhất) và gia tốc (đạo hàm bậc hai) đầu trượt được thiết lập và phân tích. Vận tốc và gia tốc góc của thanh truyền cũng được xác định qua hệ phương trình vi phân tương ứng.

Chương IV – Tính toán động lực học máy

Lực ép danh nghĩa được chọn: P = 50 tấn = 500 kN, phát sinh khi góc quay trục khuỷu φ = 5°–30° tính từ điểm chết dưới. Khối lượng sơ bộ của đầu trượt (hình khối chữ nhật 180 × 200 × 250 mm, khối lượng riêng 7,8 kg/dm³): M = 70,2 kg.

Các kết quả tính lực trên cơ cấu (tại φ = 30°):

Đại lượng Giá trị
Lực quán tính đầu trượt P_qt 212,96 N
Lực tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền P₁ 499.787,04 N
Lực tác dụng ngang N 49.978,704 N
Lực dọc theo thanh truyền P_tt 502.270,48 N
Lực tiếp tuyến T 293.095,53 N
Lực pháp tuyến Z 405.868,82 N
Momen quay trục khuỷu M = T × R 14.654,776 N·m
Momen lật M_N 14.654,776 N·m

Lực quán tính đầu trượt cùng chiều với lực ép nên có tác dụng hỗ trợ quá trình dập.

Chương V – Thiết kế các kết cấu máy chính

Đây là chương trọng tâm của đồ án, trình bày toàn bộ quy trình tính chọn và thiết kế:

Động cơ và phân phối tỷ số truyền:

  • Tỷ số truyền chung: i_m = 1460/80 = 18,125; phân phối: i_đai = 4; i_hộp = 4,531.
  • Chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha: n = 1460 vòng/phút, P = 10 kW.
  • Hiệu suất hệ thống: η_đai = 0,94; η_bánh răng = 0,97; η_ổ trượt = 0,985.

Thông số các trục:

Trục Công suất (kW) Số vòng quay (v/ph) Momen xoắn (N·mm)
Trục động cơ 7,56 1460 49.450,7
Trục trung gian 7,18 365 187.860,27
Trục khuỷu 6,82 80,56 808.478,15

Bộ truyền đai thang loại Ƃ:

Thông số bt (mm) b (mm) h (mm) y₀ (mm) F (mm²) L (mm) D₁ (mm) D₂ (mm)
Giá trị 14 17 10,5 4 138 3150 180 800

Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trong hộp giảm tốc:

Thông số α (°) a_w (mm) m (mm) u_m Z₁ Z₂ d₁ (mm) d₂ (mm) b_w (mm)
Giá trị 20 288 4,5 4,62 23 105 92 420 75

Vật liệu trục: Thép 45, nhiệt luyện; σ_b = 600 N/mm², σ_ch = 300 N/mm². Ngoài ra, chương trình bày thiết kế trục I, trục khuỷu, ổ đỡ, cơ cấu ly hợp (then xoay, bộ phận điều khiển), phanh (tính gần đúng lực phanh) và thanh truyền.

Chương VI – Vận hành, bảo dưỡng, an toàn và kiểm tra độ bền bằng ANSYS 16

Chương cuối gồm hai phần chính:

Vận hành và an toàn: Trình bày các trường hợp hư hỏng thường gặp và biện pháp khắc phục (tổng hợp trong bảng theo văn bản gốc). Các yêu cầu an toàn cho máy dập được nêu rõ.

Kiểm bền bằng ANSYS 16: Mô hình hóa khung máy với lực tác dụng theo điều kiện làm việc thực tế (lực ép 500 kN); phân tích phân bố ứng suất trên khung máy (hình 7.2 trong văn bản). Kết quả ANSYS được dùng để đối chiếu với tính toán giải tích, xác nhận độ bền kết cấu tổng thể.

Thiết kế và triển khai

(Mục này được bổ sung do đồ án thuộc loại thiết kế hệ thống kỹ thuật)

Kiến trúc hệ thống máy dập

Máy dập trụ khuỷu thân hở được thiết kế theo sơ đồ động: Động cơ điện → Bộ truyền đai thang → Trục trung gian → Hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng → Trục khuỷu → Thanh truyền → Đầu trượt. Cơ cấu ly hợp (then xoay) và phanh được bố trí trên trục khuỷu để điều khiển chu trình dập đơn hoặc liên tục.

Các thông số thiết kế quan trọng

  • Lực ép danh nghĩa: P = 50 tấn; hành trình đầu trượt: S = 100 mm.
  • Số hành trình: n = 80 lần/phút; khoảng hở: C = 240 mm.
  • Khoảng điều chỉnh giữa bàn và đầu trượt: 70 mm; độ nghiêng thân máy: 30°.
  • Chiều dày bàn máy phụ: h = 70 mm.
  • Khoảng cách lớn nhất giữa tấm chặn và đầu trượt (đầu trượt ở vị trí thấp nhất): 260 mm.

Phần mềm kiểm bền

Phần mềm ANSYS 16 được sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho kết cấu khung máy. Mô hình đặt lực tác dụng trong quá trình làm việc được thiết lập theo lực ép danh nghĩa, kết quả là bản đồ phân bố ứng suất trên toàn khung, cho phép xác định vùng chịu tải nguy hiểm và xác nhận đủ bền.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định lực ép cần thiết để dập gờ phôi dây thép lò xo đường kính 15 mm: P_tính = 36.756,63 kg; từ đó chọn lực ép danh nghĩa P = 50 tấn để đảm bảo dự phòng an toàn.
  • Vận tốc đầu trượt lớn nhất: V_max = 0,133 m/s, thỏa điều kiện máy ép sản xuất trong nước (< 0,6 m/s).
  • Công suất động cơ cần thiết: N = 6,65 kW; chọn động cơ 10 kW, 1460 vòng/phút.
  • Tỷ số truyền chung: i_m = 18,125; phân phối qua đai (i = 4) và hộp giảm tốc bánh răng (i = 4,531).
  • Momen xoắn trên trục khuỷu: 808.478,15 N·mm.
  • Bộ truyền đai thang loại Ƃ với chiều dài đai L = 3150 mm, D₁ = 180 mm, D₂ = 800 mm.
  • Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: m = 4,5 mm, Z₁ = 23, Z₂ = 105, a_w = 288 mm.
  • Kết quả kiểm bền bằng ANSYS 16 xác nhận khung máy đủ bền dưới tải trọng làm việc.

Giải pháp và kiến nghị

Nhóm đề xuất áp dụng máy dập trụ khuỷu thân hở công suất 50 tấn như một giải pháp hoàn chỉnh cho nguyên công dập gờ trong dây chuyền sản xuất lưới sàng đá. Bộ tài liệu thiết kế kèm theo bản vẽ kỹ thuật có thể làm cơ sở tham khảo cho chế tạo thực tế.

Đóng góp

Đồ án cung cấp một bộ tính toán hoàn chỉnh và có hệ thống cho máy dập thép lò xo chuyên dụng phục vụ sản xuất lưới sàng đá tại Việt Nam — loại thiết bị chưa có nhiều tài liệu kỹ thuật tiếng Việt cụ thể ở thời điểm thực hiện. Việc kết hợp tính toán giải tích với kiểm bền bằng ANSYS 16 tạo thêm độ tin cậy so với các đồ án tương tự chỉ dùng một phương pháp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Nhóm tác giả thừa nhận trong lời cảm ơn rằng đồ án còn hạn chế về kỹ thuật, kinh nghiệm và thời gian. Từ phạm vi nghiên cứu, có thể nhận thấy thêm một số giới hạn:

  • Đồ án dừng ở giai đoạn tính toán thiết kế lý thuyết; chưa có giai đoạn chế tạo mẫu và thử nghiệm thực tế để kiểm chứng các thông số.
  • Phân tích ANSYS 16 tập trung vào khung máy; các chi tiết như trục khuỷu, thanh truyền, ổ đỡ chủ yếu được kiểm bền bằng giải tích.
  • Chưa có phân tích về tuổi thọ mỏi của các chi tiết chịu tải chu kỳ (trục khuỷu, thanh truyền) trong điều kiện vận hành dài hạn.
  • Hướng mở: tối ưu hóa khối lượng kết cấu, mô phỏng động lực học đa thân (multi-body dynamics), hoặc mở rộng thiết kế cho các cỡ lực ép khác nhau trong cùng dây chuyền sản xuất.

Giá trị tham khảo

Đồ án phù hợp để tham khảo cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy và Cơ khí đang thực hiện đồ án thiết kế máy ép/máy dập, đặc biệt cần tài liệu về tính toán cơ cấu khuỷu–biên–đầu trượt, chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền.
  • Sinh viên học môn Gia công áp lực có thể tham khảo phần lý thuyết biến dạng dẻo kim loại và phân loại các phương pháp gia công áp lực ở Chương I.
  • Kỹ sư hoặc cán bộ kỹ thuật tại các cơ sở sản xuất lưới sàng đá, lưới thép công nghiệp cần tài liệu tính toán sơ bộ cho thiết bị dập gờ chuyên dụng.
  • Sinh viên làm đồ án ứng dụng ANSYS trong kiểm bền kết cấu cơ khí có thể tham khảo cách đặt bài toán và mô hình hóa tải trọng ở Chương VI.

Các phần đáng tham khảo nhất: quy trình sản xuất lưới sàng đá (Chương I), bảng so sánh loại máy dập và luận chứng chọn phương án (Chương II), bộ số liệu động học–động lực học cơ cấu (Chương III–IV), và bảng thông số thiết kế bộ truyền (Chương V).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm chọn lực ép danh nghĩa P = 50 tấn trong khi lực tính toán chỉ khoảng 36.756,63 kg? Lực tính theo công thức cắt hình/đột lỗ với hệ số K = 1,3 (tính đến sự không đều chiều dày, tính chất vật liệu và mép cắt bị mòn) cho kết quả ~36.756,63 kg. Để đảm bảo ổn định khi làm việc lâu dài và có dự phòng an toàn, nhóm chọn P = 50 tấn theo bảng phụ lục tiêu chuẩn máy dập.

2. Vì sao chọn cơ cấu trụ khuỷu–thanh truyền thay vì máy dập thủy lực hoặc ma sát trụ vít? Máy dập thủy lực có ưu điểm lực lớn nhưng nhược điểm là chế tạo phức tạp và bảo dưỡng khó. Máy ma sát trụ vít có tốc độ dập không lớn. Cơ cấu khuỷu–thanh truyền đáp ứng tốt nhất yêu cầu năng suất, bảo trì và chi phí sản xuất thực tế của nguyên công dập gờ; ngoài ra cơ cấu cam và đòn được đánh giá dễ hoạt động không ổn định ở công suất lớn.

3. Hệ số tay biên λ = 0,1 ảnh hưởng thế nào đến tính toán động học? Với R = 50 mm và L = 500 mm, λ = R/L = 0,1. Giá trị này xuất hiện trong công thức tính góc lệch β giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm đầu trượt (sinβ = λ·sinφ) và ảnh hưởng trực tiếp đến biểu thức vận tốc, gia tốc đầu trượt cũng như lực Ptt dọc theo thanh truyền (Ptt = P₁/cosβ ≈ 502.270,48 N tại φ = 30°).

4. Trục khuỷu và thanh truyền được làm từ vật liệu gì và chịu những tải trọng nào? Các trục được chế tạo từ thép 45 (σ_b = 600 N/mm², σ_ch = 300 N/mm²), có nhiệt luyện. Thanh truyền chịu tác dụng đồng thời của lực dọc trục Ptt = 502.270,48 N và lực ngang N = 49.978,704 N trong quá trình làm việc. Sức bền thanh truyền và tay biên được kiểm tra bằng tính toán giải tích; khung máy được kiểm tra thêm bằng ANSYS 16.

5. Phần mềm ANSYS 16 được sử dụng như thế nào trong đồ án này? ANSYS 16 được dùng để phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho kết cấu khung máy. Mô hình đặt lực tác dụng trong điều kiện làm việc thực tế (lực ép danh nghĩa 500 kN); kết quả xuất ra bản đồ phân bố ứng suất trên khung (hình 7.1 và 7.2 trong văn bản), từ đó xác nhận kết cấu đủ bền và bổ sung cho các tính toán giải tích ở các chương trước.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp này cung cấp bộ tính toán thiết kế và kiểm bền hoàn chỉnh cho máy dập thép lò xo công suất 50 tấn kiểu trụ khuỷu–thanh truyền thân hở, phục vụ nguyên công dập gờ trong dây chuyền sản xuất lưới sàng đá. Các kết quả bao gồm toàn bộ thông số động học–động lực học của cơ cấu, thiết kế chi tiết bộ truyền đai, hộp giảm tốc bánh răng, trục, ly hợp, phanh và thanh truyền. Độ bền khung máy được xác nhận qua cả tính toán giải tích và mô phỏng số bằng ANSYS 16. Đồ án có giá trị tham khảo cho các sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy thực hiện đề tài thiết kế máy dập cũng như cho các kỹ sư cần tài liệu kỹ thuật cơ sở về thiết bị dập gờ chuyên dụng trong sản xuất lưới thép công nghiệp.