Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa kho bãi (kho thông minh - smart warehouse) đóng vai trò then chốt trong việc giải phóng sức lao động, nâng cao năng suất và tối ưu hóa không gian lưu trữ. Tại Việt Nam, nhiều nhà máy, phân xưởng sản xuất và kho vận vẫn sử dụng thiết bị thô sơ hoặc bán tự động, phụ thuộc lớn vào nhân công bốc xếp, dẫn đến năng suất ở mức trung bình và chi phí vận hành cao. Các dòng xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) chuyên chở hàng hóa đã được ứng dụng rộng rãi tại các nước phát triển nhưng còn hạn chế tại thị trường trong nước do rào cản về công nghệ và chi phí chuyển giao.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế xe vận chuyển tự động pallet trong nhà kho và nhà máy sản xuất tải trọng nâng 1,5 tấn" của sinh viên Đỗ Quang Thoát (ngành Máy xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội) được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế cơ khí và hệ thống truyền động cho dòng xe AGV nâng pallet phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định cụ thể qua các chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu:

  1. Tải trọng nâng định mức: $1{,}5\text{ tấn}$ ($15.000\text{ N}$).
  2. Tốc độ di chuyển lớn nhất khi nâng tải: $0{,}4\text{ m/s}$.
  3. Chiều cao nâng: $180\text{ mm}$.
  4. Thời gian nâng tải: $4\text{ giây}$.
  5. Kích thước pallet tiêu chuẩn làm việc: $1100 \times 1100 \times 150\text{ mm}$ (và giới hạn bao hàng $1830 \times 1570 \times 1070\text{ mm}$).
  6. Thời gian làm việc liên tục: $8\text{ giờ}$.
  7. Bán kính quay vòng nhỏ nhất: $1130\text{ mm}$.
  8. Trọng lượng xe sơ bộ: $400\text{ kg}$ ($4.000\text{ N}$).

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dòng xe tự hành AGV dạng Pallet Truck phục vụ nâng và vận chuyển pallet tải trọng trung bình. Phạm vi ứng dụng là môi trường trong nhà kho, phân xưởng sản xuất công nghiệp có mặt sàn bằng phẳng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Tác giả sử dụng kết hợp giữa lý thuyết cơ học máy, nguyên lý truyền động cơ khí - thủy lực và phương pháp phân tích số phần tử hữu hạn (FEA).

Các cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn tính toán được áp dụng bao gồm:

  • Lý thuyết động lực học và lực cản di chuyển: Xác định tổng lực cản di chuyển gồm lực cản ma sát lăn ($W_1$), lực cản dốc ($W_2$), lực cản quán tính ($W_3$). Lực cản do gió ($W_4$) được lược bỏ do thiết bị làm việc hoàn toàn trong nhà xưởng kín.
  • Lý thuyết tiếp xúc và điều kiện bám: Kiểm tra điều kiện bám giữa bánh xe chủ động (bọc nhựa PU - Polyurethane) với mặt sàn theo điều kiện cân bằng lực kéo tiếp tuyến và phản lực bám ($W < F_K < P_b$).
  • Nguyên lý thủy lực học: Tính toán công suất thủy lực, lưu lượng bơm, áp suất làm việc, lựa chọn cơ cấu chấp hành xy lanh một chiều và các van chức năng (van phân phối, van an toàn, van tiết lưu).
  • Lý thuyết sức bền vật liệu và chi tiết máy: Tính toán độ bền uốn, độ bền cắt, kiểm nghiệm trục truyền động, mối hàn dầm càng nâng theo ứng suất pháp và ứng suất tiếp cho phép; tính chọn tuổi thọ vòng bi theo khả năng tải động ($C_d$) và tải tĩnh ($C_0$).
  • Phương pháp mô phỏng số (FEM): Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor 2018 để dựng mô hình 3D, thiết lập điều kiện biên, gán tải trọng thực tế và phân tích trường ứng suất Von Mises cũng như chuyển vị đàn hồi ($X, Y, Z$) của cụm càng nâng và khung chịu lực.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số cơ lý tính của vật liệu thép kết cấu cán nóng Q345 và SS400; hệ số ma sát bánh xe bọc nhựa PU ($\mu = 0{,}018$); que hàn tiêu chuẩn N42; thông số catalog từ nhà sản xuất động cơ ZD Motor, trạm nguồn thủy lực tích hợp, và vòng bi chuyên dụng cho xe nâng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về kho và thiết bị tự động hoá trong nhà kho tự động

Chương này hệ thống hóa lịch sử hình thành nhà kho và sự phát triển của hệ thống kho tự động (Smart Warehouse) qua các mốc thời gian từ năm 1914 đến nay. Tác giả phân tích cấu tạo và vai trò của các thiết bị vận hành thông thường (pallet, kệ chứa hàng, xe nâng tay, xe nâng điện Forklift) và thiết bị tự hành AGV (gồm xe kéo - Towing, xe chở - Unit Load, xe đẩy - Cart, xe nâng - Fork Vehicle).

Đối với dòng AGV ứng dụng cho pallet, tác giả so sánh hai cấu hình phổ biến: loại di chuyển chui gầm nâng cả giá hàng (như AGV Kiva của Amazon, MiR) và loại Pallet Truck sử dụng càng nâng phía trước (như Nipper, JBT). Đồng thời, tác giả khảo sát ba dạng hệ thống treo/dẫn động: bánh cố định, cơ cấu lò xo treo và cầu cân bằng 6 bánh. Tác giả lựa chọn phương án thiết kế AGV dạng Pallet Truck sử dụng kết cấu cầu cân bằng nhằm đảm bảo phân bố tải trọng đồng đều, tránh hiện tượng bánh xe chủ động quay trơn khi sàn mấp mô.

Chương 2. Tính toán các thông số cơ bản

Tác giả tiến hành tính toán các thành phần động lực học và hệ dẫn động:

  • Lực cản di chuyển: Với tổng trọng lượng toàn tải $G_0 = 19.000\text{ N}$ (tự trọng xe $4.000\text{ N}$ + tải trọng hàng $15.000\text{ N}$), độ dốc sàn $\alpha = 2^\circ$, gia tốc $a = 0{,}2\text{ m/s}^2$, lực ma sát bánh xe PU $W_1 = 341{,}88\text{ N}$, lực cản dốc $W_2 = 663\text{ N}$, lực quán tính $W_3 = 380\text{ N}$. Tổng lực cản di chuyển cực đại là $W = 1384{,}88\text{ N}$.
  • Hệ dẫn động di chuyển: So sánh phương án 01 động cơ chung trục và phương án 02 động cơ độc lập cho 2 bánh chủ động. Chọn phương án 02 động cơ BLDC của hãng ZD Motor (mã Z6BLD400-24GU-25S/6GU), công suất mỗi động cơ $N_{dc} = 400\text{ W}$, tốc độ định mức $2500\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn $0{,}764\text{ N}\cdot\text{m}$, tỉ số truyền hộp giảm tốc $i = 50$. Đường kính bánh dẫn động $D_{bx} = 180\text{ mm}$. Kiểm tra điều kiện bám đạt yêu cầu: $W = 1384{,}88\text{ N} < F_K = 1443{,}74\text{ N} < P_b = 8866{,}77\text{ N}$.
  • Hệ thống nâng hạ thủy lực: Lực ép yêu cầu tại đầu cần $F_{xl} = 15.000\text{ N}$, hành trình nâng $H_{xl} = 180\text{ mm}$, thời gian nâng $4\text{ s}$ (vận tốc nâng $v_{xl} = 45\text{ mm/s}$). Tác giả tính toán và chọn xy lanh thủy lực một chiều mã AH-OE-50-200 (đường kính trong $D_{xl} = 50\text{ mm}$, đường kính cần $d = 30\text{ mm}$, hành trình $200\text{ mm}$, áp suất làm việc $18\text{ MPa}$). Trạm nguồn thủy lực tích hợp được chọn mang mã JP01-1C222C-C5Z-21-T050-02G-EC03-X, nguồn cấp $24\text{VDC}$, công suất động cơ bơm $2{,}2\text{ kW}$, lưu lượng bơm $6\text{ lít/phút}$, dung tích thùng dầu $7\text{ lít}$.

Chương 3. Thiết kế cụm càng nâng

Cụm càng nâng trực tiếp đỡ tải trọng pallet và hàng hóa. Càng có chiều dài tổng thể $L_1 = 1300\text{ mm}$, chiều dài làm việc $L_2 = 1150\text{ mm}$, khoảng cách hai càng $L_3 = 333\text{ mm}$. Dầm càng nâng được thiết kế dạng tiết diện chữ U dập từ thép Q345 dày $10\text{ mm}$ (giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 345\text{ MPa}$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 230\text{ MPa}$). Khung càng nâng liên kết các tấm bích định vị và gân tăng cứng từ thép SS400 dày $10 - 20\text{ mm}$.

Kết quả phân tích phần tử hữu hạn trên Autodesk Inventor 2018 cho thấy:

  • Ứng suất lớn nhất tập trung tại chân càng nâng đạt giá trị nằm trong giới hạn bền cho phép.
  • Chuyển vị tổng thể và chuyển vị thành phần ($X, Y, Z$) đều nằm trong phạm vi đàn hồi cho phép.
  • Lực nâng yêu cầu thực tế của xy lanh khi bắt đầu nâng (tính cả tự trọng càng $G_{cn} = 2290\text{ N}$ và lực quán tính nâng $a \approx 3\text{ m/s}^2$) là $F_{xl} = 21.746{,}8\text{ N}$, nhỏ hơn lực đẩy cực đại của xy lanh ($F_{xl\max} = 35.342\text{ N}$).
  • Kiểm tra liên kết hàn góc giữa dầm càng và khung càng (que hàn N42, chiều cao đường hàn $h_h = 8\text{ mm}$, chiều dài đường hàn $l_h = 150\text{ mm}$) đảm bảo độ bền chịu lực $N = 8{,}645\text{ kN}$.
  • Cụm con lăn tỳ: Trục con lăn có đường kính $d = 40\text{ mm}$, sử dụng vòng bi đỡ chuyên dụng cho xe nâng mã 83111 ($d = 40\text{ mm}$, $D = 100\text{ mm}$, $B = 30\text{ mm}$, tải trọng động $C = 40\text{ kN}$, tải trọng tĩnh $C_0 = 24\text{ kN}$). Kiểm nghiệm tải trọng tương đương đạt $Q = 15.392{,}4\text{ N} < C$ và $Q_t = 15.392{,}4\text{ N} < C_0$, đảm bảo điều kiện bền mỏi và không biến dạng dư.

Chương 4. Thiết kế khung máy

Khung máy bao gồm hai phần: khoang chứa thiết bị (bố trí trạm nguồn thủy lực, bình điện, mạch điều khiển, cảm biến) và khung chịu lực chính. Khung chịu lực tiếp nhận toàn bộ tải trọng từ xy lanh, phản lực từ các con lăn tỳ và liên kết với hệ thống cầu dẫn động.

Tác giả lập sơ đồ tính toán, gán điều kiện biên và phân tích kết cấu khung chịu lực trên Inventor 2018. Kết quả phân tích khẳng định mức độ tập trung ứng suất và độ võng của dầm khung, cụm tai bắt chốt xoay phía trước và phía sau đều đạt độ bền yêu cầu. Các mối ghép hàn dầm chốt xoay và liên kết bu lông cố định xy lanh thủy lực với thân khung được kiểm tra đảm bảo khả năng chịu lực cắt và lực kéo đứt.

Chương 5. Thiết kế hệ dẫn động di chuyển

Chương này đi sâu vào tính toán các chi tiết cơ khí của cụm dẫn động chủ động:

  • Bộ truyền xích: Tính chọn bộ truyền xích truyền động từ trục ra của hộp giảm tốc động cơ BLDC đến trục bánh xe chủ động, xác định bước xích, số răng đĩa xích, kiểm nghiệm xích theo số lần va đập trong một giây và tính toán lực căng tác dụng lên trục.
  • Tính toán và kiểm nghiệm trục: Xác định đường kính, lập biểu đồ nội lực (mô-men uốn và mô-men xoắn), kiểm nghiệm hệ số an toàn về mỏi cho trục động cơ, trục bánh xe chủ động, trục chốt xoay phía trước và trục chốt xoay phía sau.
  • Tính chọn ổ đỡ trục: Chọn các loại ổ lăn đỡ trục bánh xe và gối đỡ chốt xoay phù hợp với tải trọng và sơ đồ lắp ráp.

Chương 6. Kết luận

Tổng kết lại các nội dung tính toán, thiết kế đã hoàn thành trong đồ án, đánh giá mức độ đáp ứng của phương án thiết kế đối với các chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Xe tự hành AGV trong đồ án được thiết kế theo cấu trúc cơ cấu cơ khí - thủy lực hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật chính:

Hạng mục / Thông số Giá trị thiết kế Đơn vị / Tiêu chuẩn
Tải trọng nâng định mức $1{,}5$ Tấn ($15.000\text{ N}$)
Vận tốc di chuyển lớn nhất $0{,}4$ $\text{m/s}$
Chiều cao nâng tối đa $180$ $\text{mm}$
Thời gian nâng đủ hành trình $4$ Giây
Bán kính quay vòng nhỏ nhất $1130$ $\text{mm}$
Động cơ di chuyển $02 \times \text{BLDC ZD 400W}$ Mã: Z6BLD400-24GU-25S/6GU
Tỉ số truyền hộp giảm tốc động cơ $50:1$ Hộp số hành tinh/bánh răng
Xy lanh nâng hạ thủy lực $01 \times \text{AH-OE-50-200}$ Đường kính trong $\varnothing 50\text{ mm}$, cần $\varnothing 30\text{ mm}$
Trạm nguồn thủy lực tích hợp JP01-1C222C-C5Z... $24\text{VDC} - 2{,}2\text{ kW} - 6\text{ l/ph} - 18\text{ MPa}$
Vật liệu dầm càng nâng Thép Q345 Chiều dày $t = 10\text{ mm}$
Vật liệu khung chịu lực Thép SS400 Chiều dày $10 - 20\text{ mm}$
Vòng bi cụm con lăn tỳ càng nâng Vòng bi xe nâng mã 83111 $\varnothing 40 \times \varnothing 100 \times 30\text{ mm}$

Hệ thống cơ khí và thủy lực hoạt động theo nguyên lý phối hợp:

  • Cơ cấu nâng: Trạm nguồn $24\text{VDC}$ bơm dầu cao áp ($18\text{ MPa}$) qua van phân phối vào xy lanh một chiều. Piston đẩy đầu cần đi lên, tác động trực tiếp nâng cụm càng mang tải. Trong quá trình trượt thẳng đứng, 4 cụm con lăn tỳ dọc và ngang lăn tựa trên ray dẫn hướng của khung máy để triệt tiêu mô-men lệch tâm và chống xô lệch kết cấu.
  • Cơ cấu di chuyển: Hai cụm động cơ BLDC độc lập truyền mô-men qua bộ truyền xích đến hai bánh xe chủ động ở vị trí trung tâm. Hệ thống sử dụng cơ cấu cầu cân bằng kết hợp các bánh xe dẫn hướng bị động, duy trì tiếp xúc mặt đường liên tục cho bánh chủ động, đảm bảo lực bám và ổn định hướng di chuyển.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác định đầy đủ các thành phần lực cản di chuyển ($W = 1384{,}88\text{ N}$) và lực nâng tĩnh/động của cơ cấu càng nâng ($F_{xl} = 21.746{,}8\text{ N}$), làm cơ sở tính chọn chính xác công suất động cơ di chuyển ($2 \times 400\text{ W}$) và động cơ trạm nguồn thủy lực ($2{,}2\text{ kW}$).
  • Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu hình học của cụm càng nâng, khung máy chịu lực và hệ thống cầu cân bằng 6 bánh.
  • Kiểm nghiệm toàn diện độ bền tĩnh và độ bền mỏi cho hệ thống trục, mối hàn, liên kết bu lông và ổ lăn bằng cả công thức giải tích cổ điển và mô phỏng số 3D FEA trên Autodesk Inventor 2018.

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật

  • Ứng dụng cơ cấu cầu cân bằng: Khắc phục nhược điểm mất bám hoặc quay trơn bánh xe chủ động thường gặp ở kết cấu 4 bánh cứng hoặc hệ treo lò xo khi AGV đi qua bề mặt không bằng phẳng.
  • Tối ưu hóa không gian bằng trạm nguồn thủy lực tích hợp: Đưa toàn bộ cụm động cơ, bơm, thùng dầu $7\text{ lít}$ và các van điều khiển vào một khối nhỏ gọn, giải phóng diện tích khoang máy của AGV để bố trí ắc quy và thiết bị điện tử.
  • Cung cấp bộ hồ sơ thiết kế chi tiết (bao gồm 06 bản vẽ A1 và 04 bản vẽ chi tiết A3) có tính khả thi chế tạo thực tế tại Việt Nam với các vật tư tiêu chuẩn sẵn có trên thị trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án tập trung chủ yếu vào phần tính toán thiết kế kết cấu cơ khí, động lực học và hệ thống thủy lực. Hệ thống điều khiển tự động, sơ đồ mạch điện chi tiết, giải thuật điều hướng (Laser/SLAM/RFID/Magnetic Line) và thuật toán tránh vật cản chỉ được giới thiệu ở mức độ nguyên lý và bố trí không gian phần cứng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu, xây dựng giải thuật điều khiển vị trí, tốc độ vòng kín cho hai động cơ BLDC và van tỷ lệ thủy lực.
    • Tích hợp hệ thống cảm biến an toàn (LiDAR, siêu âm), công tắc giới hạn và bộ điều khiển trung tâm (PLC/vi điều khiển).
    • Gia công, chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm tra thông số tải trọng và độ ổn định động học trong môi trường nhà kho thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên: Các ngành Cơ khí, Máy xây dựng, Cơ điện tử, Kỹ thuật ô tô, Robot và Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học Máy nâng chuyển, Chi tiết máy hoặc đồ án tốt nghiệp về xe tự hành AGV, xe nâng tự động.
  • Kỹ sư thiết kế máy: Tham khảo quy trình tính toán lực cản di chuyển xe nhiều bánh, phương pháp tính chọn công suất trạm nguồn thủy lực nhỏ gọn và quy trình phân tích ứng suất kết cấu khung càng nâng bằng phần mềm FEA.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn phương án dẫn động bằng cơ cấu cầu cân bằng thay vì hệ treo lò xo?

Theo phân tích tại Chương 1, hệ treo lò xo nén dễ gây hiện tượng bánh chủ động quay trơn nếu lực căng hai bên không đều và làm tăng bề rộng thân xe. Cơ cấu cầu cân bằng 6 bánh giúp phân bố tải trọng đồng đều lên các bánh, giữ bánh xe chủ động luôn bám sát mặt sàn khi di chuyển qua các vị trí gồ ghề, đồng thời giảm rung lắc cho khung xe khi chở tải nặng $1{,}5\text{ tấn}$.

2. Động cơ di chuyển được lựa chọn là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Tác giả chọn 02 động cơ một chiều không chổi than (BLDC) của nhà sản xuất ZD Motor, mã Z6BLD400-24GU-25S/6GU. Động cơ có công suất định mức $400\text{ W}$, mô-men xoắn định mức $0{,}764\text{ N}\cdot\text{m}$, tốc độ định mức $2500\text{ vòng/phút}$, kết hợp với hộp giảm tốc có tỉ số truyền $i = 50$.

3. Thông số kỹ thuật của xy lanh và trạm nguồn thủy lực nâng hạ là gì?

  • Xy lanh thủy lực: Mã AH-OE-50-200 (loại một chiều), đường kính trong piston $D_{xl} = 50\text{ mm}$, đường kính cần piston $d = 30\text{ mm}$, hành trình $200\text{ mm}$, áp suất làm việc $18\text{ MPa}$ ($180\text{ bar}$).
  • Trạm nguồn thủy lực: Mã JP01-1C222C-C5Z-21-T050-02G-EC03-X, điện áp $24\text{VDC}$, công suất động cơ bơm $2{,}2\text{ kW}$, lưu lượng bơm $6\text{ lít/phút}$, dung tích thùng dầu $7\text{ lít}$, tích hợp van an toàn và van phân phối.

4. Kết cấu cụm càng nâng sử dụng vật liệu gì và được kiểm tra bền như thế nào?

Dầm càng nâng sử dụng thép chữ U dập từ tấm thép Q345 dày $10\text{ mm}$ ($\sigma_{ch} = 345\text{ MPa}$), khung càng sử dụng thép SS400 dày $10 - 20\text{ mm}$. Kết cấu được mô hình hóa và kiểm nghiệm bền bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm Autodesk Inventor 2018 dưới tác dụng của tải trọng hàng $15.000\text{ N}$, tự trọng càng $2290\text{ N}$ và lực quán tính nâng ($a \approx 3\text{ m/s}^2$). Mối hàn dầm và khung được kiểm tra chịu lực $N = 8{,}645\text{ kN}$ với que hàn N42.

5. Cụm con lăn tỳ của càng nâng sử dụng loại vòng bi nào?

Cụm con lăn tỳ sử dụng vòng bi chuyên dụng cho khung nâng xe nâng mã 83111, có đường kính trong $d = 40\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 100\text{ mm}$, chiều dày $B = 30\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 40\text{ kN}$ và tải tĩnh $C_0 = 24\text{ kN}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đỗ Quang Thoát đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế cơ khí cho dòng xe tự hành AGV nâng pallet tải trọng $1{,}5\text{ tấn}$ phục vụ nhà kho thông minh. Nghiên cứu đưa ra giải pháp kết cấu cơ khí hợp lý với hệ dẫn động 2 động cơ BLDC độc lập kết hợp cơ cấu cầu cân bằng và hệ thống nâng hạ thủy lực tích hợp nhỏ gọn. Toàn bộ các thông số động lực học, độ bền mỏi của trục, mối hàn, ổ đỡ và khung vỏ đều được kiểm chứng chặt chẽ qua phương pháp giải tích và mô phỏng số 3D.