Báo cáo nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu thiết kế cơ cấu công tác hệ thống đổ sợi máy sợi con của ĐH Công nghiệp Hà Nội cơ nội dung trình bày kết quả nghiên cứu, tính toán một số thông số kỹ thuật quan trọng và kiểm bền trục chính cơ cấu công tác trong hệ thống đổ sợi tự động máy sợi con loại 500 cọc. Mời các bạn tham khảo để mở rộng thêm hiểu biết.
Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 Nghiên cứu thiết kế cấu công tác hệ thống đổ sợi máy sợi Research and design the operating mechanism of spinning machine in doffing system Phạm Văn Hùng, Hoàng Văn Gợt, Nguyễn Xuân Chung Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội e-Mail: hungphv@narime.gov.vn, gotnarime@yahoo.com.vn, ngxchung@gmail.com Tóm tắt Hệ thống đổ sợi tự động có nhiệm vụ tháo dỡ búp sợi quấn đủ sợi khỏi băng máy đặt lõi búp sợi vào băng máy sợi thay cho thao tác thủ công Bài báo trình bày kết nghiên cứu, tính tốn số thông số kỹ thuật quan trọng kiểm bền trục cấu cơng tác hệ thống đổ sợi tự động máy sợi loại 500 cọc Kết nghiên cứu ứng dụng để thiết kế cấu công tác hệ đổ sợi tự động, đáp ứng yêu cầu chu trình làm việc đặt hệ thống Từ khóa: Hệ thống đổ sợi, máy sợi con, tính tốn thiết kế Abstract The function of Automation doffing system is to take down bobbins from warping creel and built-up it on spinning machine bed to replace manual operation In this paper, authors have presented research result and calculating for main technical parameters and strength test for operating mechanism engine shaft with 500 bobbins of automation doffing system The research results were applied for designing of automation doffing operating mechanism to meet the requirement by the system Keywords: Doffing system, spinning machine, economic design Phần mở đầu Hiện nay, máy sợi sử dụng dây chuyền kéo sợi Việt Nam nhập từ nước ngồi có hai loại: loại máy đổ sợi thủ công, tức sau kết thúc trình kéo sợi việc lấy búp sợi lắp lõi sợi vào máy sợi người thao tác tay; loại máy có hệ thống đổ sợi tự động tức thao tác thủ cơng tự động hóa VCM-2014 Việc tự động hóa khâu đổ sợi cho máy sợi có ý nghĩa to lớn giảm số lượng cơng nhân vận hành, tăng thời gian hoạt động máy, giảm nhiều thời gian phụ chi phí khác sản xuất Cơ cấu đổ sợi cấu công tác hệ thống đổ sợi tự động thực nhiệm vụ tháo dỡ búp sợi khỏi giá cọc sợi cấp lõi sợi vào giá cọc máy sợi con, theo chu trình đổ sợi xác định Trong giới hạn báo này, nhóm tác giả nêu phương pháp tính tốn, thiết kế cấu cơng tác cho hệ thống đổ sợi máy sợi con, phục vụ cho việc đầu tư nâng cấp cho số lượng lớn máy sợi sử dụng đổ sợi thủ công, thay sản phẩm nhập Nội dung kết nghiên cứu 2.1 Cấu tạo chức hệ thống đổ sợi [3],[4],[5],[6],[7] Cấu tạo hệ thống đổ sợi mô tả H1, gồm phận sau: 1-Giá suốt sợi máy sợi con: băng để lắp hệ thống cọc sợi; 2-Giá đỡ máy sợi con: khung máy sợi con; 3-Băng truyền búp sợi: băng để vận chuyển búp; 4-Cơ cấu nâng- hạ: cấu thực nâng, hạ giá kẹp búp sợi; 5-Giá kẹp búp sợi: giá để kẹp búp , lõi búp sợi; 6-Trục dẫn động: trục để dẫn chuyển động quay tịnh tiến ; 7-Khớp nối trục dẫn: khớp nối đoạn trục dẫn; 8-Bộ truyền vít me –đai ốc: tạo chuyển động quay tính tiến cho trục dẫn; 9-Động cơ-giảm tốc: động chính, giảm tốc truyền động cho truyền vít me-đai ốc; 10-Cơ cấu xoay giá kẹp: cấu làm xoay phận cơng tác (vào ra) góc 150 nhờ xi lanh khí nén Hệ thống đổ sợi điều khiển điều khiển khả lập trình PLC Simatic S7-200226 Simens modun mở rộng, đảm bảo việc giám sát vị trí điều khiển hoạt động cấu xác, ổn định theo chu trình đổ sợi u cầu Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 H Cấu tạo hệ thống đổ sợi 1- Giá suốt sợi máy sợi con, 2- Giá đỡ máy sợi con, 3- Băng truyền búp sợi;4- Cơ cấu nâng-hạ; 5- Giá kẹp búp sợi; 6- Trục dẫn động; 7- Giá đỡ cấu đổ sợi;8- Bộ truyền vít me-đai ốc; 9- Động cơ–giảm tốc;10-Cơ cấu xoay giá kẹp 2.2 Cơ cấu công tác hệ thống đổ sợi [1],[5],[6],[7] 2.2.1 Nguyên lý hoạt động H Sơ đồ nguyên lý cấu công tác – Động cơ; – Khớp nối; – Hộp giảm tốc; – Bộ truyền đai; – Bộ truyền xích; – Bộ truyền vít me đai ốc; – Trục dẫn;8 – Xy lanh; – Trục truyền; 10 – Cơ cấu nâng hạ; 11 – Cơ cấu mở góc; 12 – Giá kẹp a) Chức năng: cấu công tác hệ thống đổ sợi gồm hai phận chính: cấu nâng - hạ cấu xoay giá kẹp có nhiệm vụ mang lõi sợi từ băng tải vận chuyển lõi búp sợi lên vị trí cắm lõi sợi giá cọc sợi máy sợi lấy búp sợi từ giá cọc sợi máy sợi xuống băng tải vận chuyển búp lõi sợi Trong trình hoạt động cụm nâng- hạ cụm xoay giá kẹp có liên động chặt chẽ với theo lệnh điều khiển lập trình Hệ thống khí nén sử dụng để điều khiển cấu công tác với hai chức năng: tạo chuyển động xoay góc cấu nâng – hạ giải phóng lõi sợi khỏi tay kẹp đặt vào vị trí xác định b) Nguyên lý hoạt động: sơ đồ H.2 mô tả sau: động (1) truyền chuyển động tới vít me-đai ốc (6) nối với trục dẫn (7) thông qua hộp giảm tốc (3) truyền ngồi (4), (5) Nhờ trục dẫn (7) có chuyển động tịnh tiến theo chiều dọc trục, theo cấu nâng- hạ (10) gắn trục di chuyển đưa VCM-2014 giá kẹp (12) nâng lên hay hạ xuống theo cao độ vị trí làm việc Xy lanh khí nén (8) thơng qua trục truyền (9) tác động đến cấu mở góc (11) làm xoay cấu (10) đưa giá (12) đến vị trí chờ 2.2.2.Yêu cầu thiết kế Cơ cấu công tác thiết kế thỏa mãn yêu cầu sau: Đảm bảo độ bền, độ cứng vững hệ thống; Đạt độ xác chuyển vị giá kẹp 2.2.3 Xác định vị trí chuyển vị giá kẹp lõi sợi Chuyển vị giá kẹp xác định theo chu trình đổ sợi thực qua bước: Bước 1: Chuyển vị giá kẹp bước mô tả H Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 H Sơ đồ nguyên lý nâng hạ giá kẹp - Giá kẹp; 2- Thanh truyền 1; - Thanh truyền 2; 4- Cụm dẫn động khí; 5- Trục đẫn động H Sơ đồ chuyển vị giá kẹp bước Chu trình đổ sợi vị trí chờ giá kẹp: Điểm xuất phát giá kẹp từ vị trí xuống 1’ để kẹp lõi băng tải sau di chuyển vị trí 1, giàn mở góc tới vị trí 2, di chuyển lên 2’, ép giàn vào 3 xuống 3’(nhả lõi vị trí trung gian) , di chuyển lên 3” ép giàn vào di chuyển xuống 4’ (vị trí kẹp búp sợi giá cọc sợi), kẹp xong di chuyển lên vị trí 4”, giàn mở góc di xuống vị trí 2, ép giàn vào vị trí xuống vị trí 1’ để nhả búp sợi vào băng tải, sau giá lên vị trí chờ 1’ Đến kết thúc chuyển vị giá kẹp bước chuyển sang bước Bước 2: Chuyển vị giá kẹp bước mô tả H4: Cơ cấu bao gồm hai truyền (2), (3) liên kết với qua khớp II, làm việc theo nguyên lý mô tả H sau: khớp I chuyển động tịnh tiến vào nhờ trục dẫn động (5) thơng qua cụm dẫn động khí (4), truyền (2) lắc xung quanh khớp IV, giá kẹp (1) nâng lên hạ xuống tới độ cao tính tốn tùy theo chiều chuyển động tịnh tiến trục (5) Chuyển động nâng lên giá kẹp (1) lắp lõi sợi vào máy sợi hạ xuống tháo búp sợi khỏi máy sợi b) Tính tốn thơng số Thơng tin đầu vào: thời gian hết hành trình: t = 60s; Chiều dài lõi sợi l1 = 210mm; Chiều cao giá lõi sợi giá cọc sợi (3) l2 = 210mm; Chiều cao giá lõi giá trung gian băng tải l3 = 30mm; Khoảng cách từ tâm quay tới mặt băng tải 70mm; Khoảng cách từ tâm quay tới giá trung gian 550mm; Khoảng cách từ tâm quay tới giá cọc sợi 580mm Từ ta tính độ cao điểm dừng giá kẹp so với tâm quay, giá trị cho bảng 1: Bảng Giá trị độ cao giá kẹp tương ứng với vị trí chuyển vị H Sơ đồ chuyển vị giá kẹp bước Từ vị trí 1, giàn mở góc tới 2, di chuyển lên 2’, ép giàn vào vị trí xuống 3’ (kẹp lõi sợi) lên 3”’, giàn ép vào vị trí 4” xuống 4’ để nhả lõi vào giá cọc sợi sau lên 4, giàn mở góc di chuyển tới 5’, xuống vị trí ép giàn vào vị trí (vị trí chờ) Đến kết thúc chuyển vị bước kết thúc chu trình đổ sợi 2.2.4 Tính tốn cấu công tác [1],[2],[5],[6],[7] 2.2.4.1 Cơ cấu nâng-hạ a) Nguyên lý hoạt động (H 5) VCM-2014 Điểm dừng Độ cao (mm) Vị trí 1’ H1’= 250 Vị trí H1= 290 Vị trí 3’ H3’=720 Vị trí H3=760 Vị trí 4’ H4’=790 Vị trí H4=830 Vị trí 4” H4’’=990 Sơ đồ tính tốn (Xem H 6) Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 C a H B a A b D H h c Δc = c3’ – c4= 100mm Từ tới 4’ Δc = c4’ – c4= 40mm Từ 4’ tới 4” Δc = c4’ – c4”= 250mm Từ 4” Δc = c1 – c4”= 515mm Từ 3’ tới 4” Δc = c3’ – c4”= 310mm Từ 4” tới 4’ Δc = c4’ – c4”= 250mm Sơ đồ động học cấu nâng –hạ giá kẹp Theo khảo sát ta có a = b = 575mm Trong tam giác ACD ta có trung tuyến DB = ½ AC nên tam giác ADC tam giác vuông Trong tam giác ACD có AC2 = AD2 + DC2 4a2 = H2 + c2 (1) c2 = 4a2 – H2 => Từ 3’ tới vị trí c 4a H c) Tính bền cấu Với máy sợi 500 cọc cấu nâng hạ bao gồm mơ đun, mơ đun có 36 cọc Do cọc phân bố giá kẹp nên tải trọng mà mô đun phải chịu nhau, để tính tốn bền với tồn cấu nâng hạ ta qui tính tốn với mơ đun Lược đồ mơ đun cấu nâng hạ mô tả H7 (2) Lần lượt thay giá trị H vào công thức (2) ta giá trị c cho bảng 2: Bảng Giá trị tương quan H c H (mm) c (mm) H1’=250 c1’=1120 H1=290 c1=1100 H3’=720 c3’=895 H3=760 c3=860 H4’=790 c4’=835 H4=830 c4=795 H4”=990 c4”=585 H Sơ đồ động lực học cấu nâng – hạ 1,2 – Thanh truyền; – Gối đỡ trượt, xoay; B,D-Gối xoay; C - Điểm gá giá kẹp búp sợi; O –Trục dẫn Bảng 3.Thông số dịch chuyển ứng với vị trí làm việc giá kẹp Vị trí Độ dịch chuyển Δc Từ tới 1’ Δc= c1’ - c1= 20mm Từ tới Δc = c1 – c3= 240mm Từ tới 3’ Δc = c3’ – c3= 35mm y 21 H VCM-2014 Cơ cấu nâng hạ cấu khâu, có lược đồ hình với lực F tổng hợp trọng lực, lực ép kẹp quy đổi khớp cầu C khâu quay quanh khớp D Phương trình cân khâu 1: (3) X R 2x R 0x y 01 Y R R G 0 a M(D) G.1 2cos R21x acos R21y a.sinM21 Sơ đồ phân tích lực (4) (5) Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 Phương trình cân khâu 2: X R 12x R 32x Y R y 32 (6) R12y F G x 12 y 12 M(A) R acos R asin M 12 (7) M32 F.2acos (8) Phương trình cân khâu 3: x 23 03 R X R Y N M (A ) M 23 (9) y 23 (10) (11) Nguyên lý hoạt động cấu xoay giá kẹp mô tả H 10 sau: trục (7) chuyển động tịnh tiến xoay quanh quanh khớp quay Khi trục di chuyển, đẩy tay quay (3) quay góc α đẩy (kéo) kéo (6) đoạn a.sinα làm kéo (6) xoay góc β, chiều cao kẹp (6) thay đổi đoạn h (1-cos β) Sự thay đổi kéo tác động làm truyền (5) quay góc γ, truyền (5) gắn cứng với cụm nâng giá kẹp (2), nên giá kẹp xoay góc tương tứng γ quanh khớp quay (1) Giải phương trình có kết quả: x R x21 R 12 R x2 R 3x R 0x G1 2F) cot g G G R 1y2 R 2y ( F ) c o t g G y y R 32 R F G ( F ) c o t g G1 M 21 M a cos Thay số với giá trị: a = 575 mm; G1= 136 N; G2=85N; F = 138 N; góc α = 150 ta có giá trị lực: ; R y 01 ( Như lực có chiều ngược lại Tính bền truyền cấu nâng hạ: sơ đồ phân tích lực H8, ta nhận thấy từ lược đồ coi truyền dầm chịu uốn ngang phẳng Biểu đồ mô men tương ứng Biểu đồ mô men tác dụng lên ABC H Mmax= R y 23 a.cos đạt max α = 150 tương ứng với giá kẹp hạ thấp Thay số với a = 575 (mm), Ta có: Mmax = 597,43.575.cosα = 331.819 (Nmm) Trị số ứng xuất pháp: σmax = Mmax/Wx = 331.819 /(46x20) = 360,67 (N/mm2) Giới hạn bền với vật liệu CT38 có [σ] = 490 N/mm2 Ta thấy: σmax < [σ] = 360,67 < 490 (N/mm2) Kiểm nghiệm có kết tương tự kiểm tra phân tố trạng thái trượt túy kiểm tra với phân tố trạng thái ứng suất phẳng a h b H 10 Sơ đồ nguyên lý xoay giá kẹp búp sợi - Khớp quay; - Cụm nâng giá kẹp; – Tay quay; Bản lề; -Thanh truyền; -Thanh kéo; - Trục b) Tính tốn thơng số Tính chọn xy lanh khí nén: Sơ đồ tính lực, mơ men cấu mở góc thể H11 Xét góc nghiêng α cụm nâng giá kẹp bất kỳ, gọi lực F phản lực tác dụng vào trục chính, G1, G2 trọng lực cụm xoay giá kẹp truyền, thực tế trọng lực tay quay kéo nhỏ so với lực lại nên bỏ qua Các thơng số xy lanh khí nén lựa chọn sở tính tốn lực ép lớn (Fmax) Tính tốn hành trình xi lanh mở góc: Trong tam giác CC’B: h = a.sinα Trong tam giác EDD’: h = c.sinβ Trong tam giác EFF’: FF’ = 2.e.sinβ Trong tam giác OFF’: OF’2=OF2 +FF’2 – 2OF.FF’.cos(180-β/2) Đặt: OF’ = f’ Biến đổi lượng giác, ta có: f '2 f 4.e2 sin Với thông số xác định: f0 = 945 mm; a = 380 mm; b =195 mm; c = 125mm, e = 110 mm ta có góc α tương ứng với vị trí tháo búp, tiếp lõi sợi băng tải, giá trung gian, giá cọc máy sợi kết tương ứng (bảng 4): Bảng Kết tính tốn góc mở α = 110 2.2.4.2 Cơ cấu xoay giá kẹp a) Sơ đồ nguyên lý VCM-2014 2.e f sin β1 = 35,50 f1’ = 1005,7 mm α2=0 β1 =0 f1’ = 945 mm α = 40 β3 =12,240 f3’ = 968,2 mm Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM-2014 Hành trình xi lanh tương ứng giá kẹp dỡ lõi búp, cấp búp sợi băng tải, giá trung gian máy sợi con: Chọn xi lanh khí nén: hành trình s = 75 mm Tính đường kính xi lanh khí nén Sơ đồ động lực học thể H 11 s1 = f1’ – f0 = 1005,7 – 945 = 60,7 mm s2 = f2’ – f0 = 945 – 945 = mm s3 = f3’ – f0 = 968,2 – 945 = 23,2 mm H 11 Sơ đồ động lực học cấu xoay giá kẹp búp sợi Tổng mô men khớp quay B: G2.a1cosα -F2cosα.a + G1.n.sinα = Tổng mô men lề E, γ nhỏ nên ta có: F.e – F2.c.cosβ = Rút ra: F (G1.n.sin G2 a1.cos ).c.cos e.a.cos Kết tính lực kẹp thể bảng 5: Bảng 5: Kết tính lực kẹp α0 n (mm) F (N) F2 (N) α = 110 250 1575 1701,3 α2=0 653 20,5 18 α = 40 786 1776 1599 Thay số với a = 380 mm; b =195 mm; c = 125mm, e = 110 mm, a1 =214 mm G1 = 1492 N (bao gồm búp sợi đầy) ; G2 = 32 N Vậy Fmax α = α = 40 Fmax = 1776 N Để tính áp suất khí nén cho cấu kẹp, ta tiến hành xác định lực kẹp cần thiết, diện tích bề mặt kẹp chặt Áp suất khí nén dùng nhà máy: bar Ta có: p F (N/mm2) S với S_diện tích hiệu dụng xi lanh khí nén, S=πd2/4 (mm2) Đường kính xi lanh khí nén d: d 4F p VCM-2014 4.177, 6, 725 (cm) = 67,25 mm 5. Từ kết tính tốn để phù hợp với catalog nhà sản xuất, ta lựa chọn xi lanh khí nén dẫn động với thông số sau: mã hiệu xi lanh: STNC-TGU80x75-LB; đường kính xi lanh: 80 mm; hành trình xi lanh: 75 mm; áp suất làm việc: 0,1÷0,9 MPa; áp suất làm việc tối đa: 1,35 MPa; nhiệt độ làm việc: 50÷700C; tốc độ píttơng: 50÷800 mm/s Tính bền trục dẫn: Như phân tích phần trên, trục dẫn chịu lực nén dọc trục chủ yếu, với thông số đầu vào theo kết tính tốn được: Fmax= 1776 N; dsb= 25 mm; Vật liệu: C45 với [σ]=600 N/mm2 Kiểm nghiệm độ bền trục: σmax = Fmax/W = 4.1776 /(252.π) = 3,6 (N/mm2) Ta nhận thấy: σmax