Hình 3.1 Sơ đồ máy 1. Động cơ điện 2. Bộ truyền đai 3. Trục chính 4. Hộp giảm tốc 1 5. Hộp giảm tốc 2 6. Hộp giảm tốc 3 7. Hộp giảm tốc 4 8. Bộ truyền xích 1 9. Bộ truyền xích 2 10. Bộ truyền xích 3 11. Cuộn lõi dây 12. Khung quay 1 13. Khung quay 2 14. Cuộn dây 15. Tang cuốn 16. Cuộn thành phẩm 17. Nối trục 18. Ly hợp ma sát. - Nguyên lý hoạt động:
Động cơ điện 1 truyền chuyển động quay và momen xoắn đến trục chính 3 sau khi được giảm tốc lần 1 bằng bộ truyền đai 2. Trục chính 3 truyền chuyển động quay đến khung quay thứ nhất 12 và khung quay thứ hai 13 bằng các hộp giảm tốc và bộ truyền xích, đồng thời trục chính 3 cũng truyền chuyển động quay đến bánh tang cuốn và tang thành phẩm.
Các cuộn phôi 14 được thiết kế gắn trên khung quay với trục quay đặt theo chiều ngang với khung quay. Khi khung quay, các cuộn phôi cũng đồng thời thực hiện 2 chuyển động là quay quanh chính nó và quay cùng với khung quay. Bộ phận tang cuộn sản phẩm 15 có nhiệm vụ kéo lõi dây ở cuộn 11 và đồng thời kéo cả các sợi dây ở các cuộn phôi. Đồng thời nó cũng có tác dụng giữ các sợi dây luôn căng để đảm bảo các lớp
bện được đồng đều. 2 khung quay được cho quay theo 2 chiều ngược nhau để 2 lớp bện là ngược chiều nhau.
3.2 Tính toán phân phối tỉ số truyền
Máy xoắn dây cáp điện có năng suất 12m/ph.
Động cơ điện ta chọn trước số vòng quay là vòng/phút.
Bước bện của dây cáp điện phải được nằm trong khoảng 30 – 450 mm. Ta chọn bước bện của sản phẩm là t = 150 mm.
Chọn đường kính bánh tang cuốn kéo dây D = 1500 mm. Ta thấy vận tốc dài ở bánh tang cuốn kéo dây là v = 12 m/ph. Do đó, số vòng quay của bánh tang cuốn là:
Tương ứng với vận tốc kéo dây 12m/ph, ta thấy trong một phút, dây phải chuyển động được 12m = 12000 mm thì sẽ tạo ra được bước bện là t (mm). Mặt khác, khi khung quay 1 vòng thì tạo ra được một bước bện. Do đó, số vòng quay của khung để tạo ra bước bện trên là:
Với yêu cầu của máy là sản xuất 4 sản phẩm, ta sẽ có 4 bước bện khác nhau cho từng loại sản phẩm. Ta chọn bước bện cho sản phẩm, sau đó ứng với từng bước bện, ta tính được số vòng quay của từng khung.
Khi đã có được số vòng quay của các khung quay, ta bắt đầu phân phối tỉ số truyền về các bộ truyền để bắt đầu thiết kế.
Đầu tiên, ta tính toán bộ truyền đai 2.
+ Ta chọn bộ truyền đai thang nên tỉ số truyền phải thỏa mãn i < 6. + Nếu khi thiết kế ta chọn tỉ số truyền cho bộ truyền đai này lớn (i = 3÷6) tương ứng trục chính 3 sẽ giảm tốc nhiều, dẫn đến số vòng quay nhỏ, khi đó trục 3 sẽ chịu một moment xoắn lớn. Khi chế tạo trục, trục sẽ có đường kính rất lớn, mặt khác theo thiết kế thì trục 3 rất dài, do đó xét về mặt kinh tế sẽ không có hiệu quả, tốn vật liệu, vận chuyển cũng khó khăn.
+ Do vậy, ta chọn tỉ số truyền cho bộ truyền đai thang này đảm bảo i<3. Ta chọn i = 1,23. Mục đích là ta cố định số vòng quay trục chính 3
Từ đây, quá trình tính toán thiết kế sẽ lấy giá trị vòng quay của trục chính 3 là 1200 vòng/phút.
Để đơn giản ta phân chia quá trình tính toán thành 2 phần:
- Phần 1: phân phối tỉ số truyền từ động cơ đến 2 khung quay.
- Phần 2: phân phối tỉ số truyền từ động cơ đến bánh tang cuốn và tang
thành phẩm.
3.2.1 Tính toán phần 1:
Tính cho đường truyền từ động cơ đến các khung quay. 3.2.1.1 Sơ đồ đường truyền
Hình 3.2 Sơ đồ đường truyền động cơ đến khung quay 3.2.1.2 Nguyên tắc phân phối tỉ số truyền
- Các khung quay cùng với các cuộn phôi có khối lượng rất lớn, và khi hoạt động sẽ có moment quán tính lớn, do đó khi thiết kế ta phải quan tâm đến số vòng quay của khung, đảm bảo số vòng quay không được quá lớn.
- Ta chọn tốc độ giới hạn cho các khung quay để có thể đảm bảo số vòng quay khung. Cụ thể, đối với khung quay 6 cuộn phôi, tốc độ giới hạn nmax = 120 vòng/phút; đối với khung quay 12 cuộn phôi, tốc độ giới hạn nmax = 80 vòng/phút.
- Ở phần chọn sản phẩm, ta đã chọn ra 4 sản phẩm để sản xuất. Tương ứng với 4 sản phẩm, ta có đường kính sợi là khác nhau, bước bện cũng sẽ khác nhau, do đó ta sẽ thiết kế các khung quay với tốc độ ứng với từng sản phẩm cũng sẽ khác nhau.
- Ta chọn bước bện của từng sản phẩm, sau đó tính ra được tốc độ khung cần thiết dựa vào công thức sau:
Ta lập được bảng sau đây:
Bảng 3.1 Tốc độ quay của các khung ứng với 4 sản phẩm
Sản phẩm Bước bện t,mm Tốc độ nk, vg/ph
Khung 1 Khung 2 Khung 1 Khung 2
SP2: 300 mm2 109 171 110 70
SP3: 400 mm2 120 200 100 80
SP4: 500 mm2 150 240 80 50
Ta thấy có 2 đường truyền từ động cơ đến khung 1 và đến khung 2, 2 khung này quay khác tốc độ nhau ứng với từng sản phẩm, khung 1 do ít cuộn dây hơn khung 2 nên cho phép tốc độ quay cao hơn khung 1. Tuy vậy, cả hai đường truyền đều giống nhau về nguyên lý truyền động.
Ta có phương trình truyền động của 2 đường truyền này là: Trong đó: iđ, tỉ số truyền bộ truyền đai thang;
igt, tỉ số truyền của hộp giảm tốc; ix, tỉ số truyền bộ truyền xích; nđc, số vòng quay của động cơ;
nk, số vòng quay của khung mang cuộn phôi.
Ở đây ta sẽ cố định tỉ số truyền của bộ truyền đai, bộ truyền xích.
- Đối với bộ truyền đai, như đã chọn ở trên, iđ = 1,23. Và khi đó ta có số vòng quay trên trục 3 là 1200 vòng/phút.
- Đối với bộ truyền xích, ta có thể chọn sao cho i < 5. Ở đây, ta chọn ix = 2.
- Đối với hộp giảm tốc, ta sẽ cho tỉ số truyền của nó thay đổi theo từng sản phẩm. Trong phạm vi của máy thiết kế, ta có 4 sản phẩm tương ứng với 4 bước bện và số vòng quay khung khác nhau. Đặc thù của sản xuất sản phẩm này là khi nào khách hàng có nhu cầu về sản phẩm thì khi đó ta mới thay đổi bước bện của sản phẩm và số vòng quay khung. Do đó, mức độ thường xuyên thay đổi tốc độ là nhỏ, ta chọn bộ truyền bánh răng thay thế để thay đổi tốc độ. Tức là khi nào có nhu cầu thay đổi sản phẩm theo yêu cầu của khách hàng, người vận hành máy chỉ cần thay cặp bánh răng thay thế để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Hộp giảm tốc sẽ gồm một bộ truyền bánh răng cố định và một cặp bánh răng thay thế. Ta chọn bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc có tỉ số truyền cố định là ibr = 2,5. Tỉ số truyền của cặp bánh răng thay thế được tính dựa vào hệ thức sau:
Suy ra
Ta lập được bảng sau đây về tỉ số truyền của cặp bánh răng thay thế
Bảng 3.2 Tỉ số truyền bánh răng thay thế
Sản phẩm Tốc độ khung Bánh răng thay thế itt
Khung 1 Khung 2 Khung 1 Khung 2
SP1 120 80 2 3
SP2 110 70 2,18 3,43
SP4 80 50 3 4,8 Như vậy, ta đã phân phối tỉ số truyền xong cho đường truyền thứ nhất từ động cơ đến các khung quay.
Tóm lại, ta có các tỉ số như sau: iđ = 1,23
ix = 2 ibr = 2,5
itt như bảng trên.
3.2.2 Tính toán phần 2: đường truyền từ động cơ đến bánh tang cuốn và tang cuốn thành phẩm
3.2.2.1 Sơ đồ đường truyền
Hình 3.3 Sơ đồ đường truyền động cơ đến tang cuốn và tang thành phẩm.
3.2.2.2 Phân phối tỉ số truyền
Năng suất của máy là 12m/phút. Tương ứng, ta đã tính được số vòng quay của bánh tang cuốn là:
Ở đường truyền này, ta có hệ thức liên hệ sau: Ta có iđ = 1,23 nên suy ra
Tỉ số truyền này tương đối lớn nên ta dùng một bộ truyền trục vít bánh vít.
Hình 3.4 Kết cấu hộp giảm tốc 6.
Bộ truyền trục vít bánh vít có thể có tỉ số truyền lớn, ta chọn itv-bv = 30.
Chọn tỉ số truyền cho cặp bánh răng trụ ở trục vào là ibr = 2
Suy ra tỉ số truyền của bánh răng ăn khớp với bánh tang cuốn dây là:
Như vậy ta đã phân phối tỉ số truyền xong cho đường truyền từ động cơ đến bánh tang cuốn dây.
Tiếp theo ta phân phối tỉ số truyền cho đường truyền từ động cơ đến tang cuốn thành phẩm.
Cuộn tang cuốn thành phẩm như hình vẽ sau:
Ta tính toán khi cuộn thành phẩm đã đầy sản phẩm, khi đó đường kính của cuộn là dcuộn =1000 mm. Vận tốc dài cuốn dây là vcuộn
=12m/phút.
Suy ra số vòng quay của cuộn là:
Phương trình truyền động từ động cơ đến tang cuộn thành phẩm như sau:
Với iđ =1,23
Ta thấy tỉ số truyền của hộp giảm tốc này cũng khá lớn, do đó ta cũng dùng một bộ truyền trục vít – bánh vít và kết cấu của hộp giảm tốc này cũng giống với hộp giảm tốc ở đường truyền từ động cơ đến bánh tang cuốn.
Hình 3.6 Kết cấu hộp giảm tốc 7
Ta chọn tỉ số truyền trục vít – bánh vít là itv-bv = 30, tỉ số truyền của cặp bánh răng vào là ibr =2. Ta thấy hộp giảm tốc ở đường đường truyền này và đường truyền từ động cơ đến bánh tang cuốn là giống nhau hoàn toàn. Điều này sẽ làm giảm quá trình tính toán khi thiết kế.
Tỉ số truyền của bộ truyền xích là:
3.3 Phân tích lực và moment – chọn động cơ
3.3.1 Phân tích lực và moment
Ở phần này, để đơn giản quá trình tính toán, ta cũng sẽ chia ra thành 2 đường truyền như trên.
Trong quá trình tính toán thiết kế máy, ta có 4 loại sản phẩm với 4 tốc độ quay của các khung là khác nhau, dẫn đến vận tốc
góc ω của từng khung quay khi thay đổi các sản phẩm là khác nhau. Do vậy ta lấy giá trị vận tốc góc ω của sản phẩm ứng với giá trị ω lớn nhất để tính toán, các giá trị khác sẽ được thỏa mãn.
Ta có được công thức tính vận tốc góc như sau: Với n là số vòng quay của khung quay khi làm việc.
Bảng 3.3 Vận tốc góc các khung
Sản phẩm Số vòng quay n Vận tốc góc
Khung 1 Khung 2 Khung 1 Khung 2
SP1: 285 mm2 120 80 12,56 8,37
SP2: 300 mm2 110 70 11,51 7,33
SP3: 400 mm2 100 60 10,47 6,28
SP4: 500 mm2 80 50 8,37 5,23
Ta thấy khi sản xuất sản phẩm 1 sẽ có vận tốc góc lớn nhất , vì vậy ta sẽ thực hiện quá trình tính toán với sản phẩm số 1. Ta có vận tốc góc khung 1: ω1 = 12,56 rad/s.
Và vận tốc góc khung 2: ω2 = 8,37 rad/s.
3.3.1.1 Đường truyền từ động cơ đến các khung quay Các khung quay có trục làm việc chính là trục quay 3. Để các khung có thể quay được thì ta cần phải cung cấp vào trục 3 một moment quay phát động có độ lớn lớn hơn tổng các moment cản trên trục khung quay.
Ta sẽ phân tích các moment cản tác dụng lên khung quay.
- Moment cản quán tính do tổng khối lượng của khung và các cuộn phôi
trên khung gây ra.
- Moment cản do lực ma sát ở các ổ lăn gây ra. Moment này cũng tương
đối lớn vì khối lượng của khung tương đối lớn, dẫn đến lực tác dụng vào các ổ cũng tương đối lớn, lực ma sát lớn dù hệ số ma sát là tương đối nhỏ.
- Moment cản xoắn khi xoắn các sợi dây thành bước bện. Muốn xoắn các
sợi dây lại với nhau ta phải cung cấp một moment lực có độ lớn vượt qua giới hạn bền uốn của vật liệu làm sợi dây.
- Moment cản động do không khí tác dụng lên khung và cuộn dây. Moment này có giá trị không đáng kể, và có thể bỏ qua trong quá trình tính toán. Hoặc ta cũng có thể tính toán bằng cách nhân tốc độ quay với một hệ số cản động của không khí.
Hình 3.7 Sơ đồ tính toán khung
Đối với khung 6 cuộn dây
Ở khung quay này, tốc độ lớn nhất trong các sản phẩm là nmax
= 120 vòng/phút.
Moment cản quán tính: do khối lượng khung quay và
các cuộn dây gây ra.
Khối lượng khung gồm khối lượng của 2 đĩa hai đầu, khối lượng của trục giữa và khối lượng của 3 thanh.
Hình 3.8 Hình dạng của khung
+ Đĩa có kích thước như sau: Dđĩa = 1200mm; dày l = 40 mm; lỗ d = 110mm làm bằng vật liệu là thép C45.
Thể tích của đĩa:
Khối lượng riêng của thép C45 ρ=7850 kg/m3. Khối lượng của đĩa:
+ Khối lượng của các thanh:
Hình 3.9 Kết cấu khung Tiết diện của thanh: S1 = 350.40 = 14000 mm2
S2htc = (139,45+99,45).34,64/2=4137,75 mm2
Tiết diện tổng cộng của thanh: S = 6.S1 + 3.S2 = 96413,25 mm2
Chiều dài thanh: L = 1600mm Thể tích thanh:
Vthanh = S.L = 96413,25.1600=154261200 mm3 = 0,154 m3
Khối lượng của thanh:
Khối lượng của một số chi tiết khác như ổ, thanh căng dây, phanh hãm cuộn,… ta có thể lấy bằng 10% khối lượng của thanh và bằng 10%.1208,9 ≈120 kg
Tổng khối lượng thanh là mthanh = 1208,9 + 120 = 1328,9 kg + Khối lượng trục:
Ta có
Khối lượng trục:
- Moment quán tính khối lượng của khung quay:
+ Moment quán tính khối lượng của thanh:
Xem thanh có trục quay đi qua tâm và song song với trục chính
+ Moment quán tính khối lượng của trục:
+ Moment quán tính khối lượng của 6 cuộn dây: Kích thước cuộn dây như hình sau:
Hình 3.10 Kích thước cuộn dây
Ta xem cuộn dây như một thanh dài có trục chính đi qua trung điểm cuộn và trục chính cách trục quay một khoảng d = 503,4 mm, khối lượng mỗi cuộn dây là 130 kg.
+ Moment quán tính khối lượng của các chi tiết khác: ta xem các chi tiết này là một khối đồng nhất có bán kính quay là bán kính của đĩa.
Tổng moment quán tính khối lượng đối với trục quay của khung 1 là:
Khi khởi động máy, ta cần một khoảng thời gian để máy đạt đến quá trình bình ổn, trong đề tài này ta chọn thời gian để máy đạt đến thời điểm bình ổn là t = 10s.
Khi đó gia tốc góc của khung 1 là: Moment cản quán tính của khung 1 là:
Moment cản ma sát:
Xem lực tác dụng lên ổ là tổng trọng lượng của khung 1. Tổng khối lượng của khung 1:
mkhung1 = 706,5 + 1328,9 + 274,75 + 6.130 = 3090,15 kg lực ma sát tác dụng lên ổ: Fms = mkhung1.g.f
với f: hệ số ma sát, với ổ trượt ma sát ướt ta lấy f = 0,015 Fms = 3090,15.9,81.0,015= 454,7 N
Moment cản do ma sát là:
Mms = Fms .r = 454,7.0,15 = 68,2 Nm
Với 2 ổ của khung 1, ta có Mms1 = 68,2.2 = 136,4 Nm
Moment cản xoắn:
Để xoắn được dây thì ta cần tác dụng một lực lớn hơn giới hạn bền uốn của vật liệu thì sợi mới có thể uốn được. Vật liệu nhôm có . Tiết diện của sợi dây có đường kính lớn nhất là dsợi
= 4,1 mm.
Kiểm tra độ bền uốn: Với moment chống uốn là
Để thanh uốn được thì cần điều kiện:
Với khung gồm 6 cuộn dây ta có: Mcx1 = 6.2,029 = 12,17 N.m
Tổng moment cản tác dụng lên khung quay 1 gồm 6 cuộn dây