5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
2.3 Lựa chọn vật liệu và máy móc sử dụng trong thực tế
2.3.1 Thiết kế khung cơ cấu chuyển động
Chọn vật liệu làm khung
STT Loại thép Khích thước Khối lượng
2 Hộp 40x100x1.4-->3.8 24 3.00--> 7.80(Kg/m) 3 Hộp 50x50x1.2-->3.8 30 2.27--> 5.42(Kg/m) 4 Hộp 40x100x1.5-->3.8 20 3.45--> 8.40(Kg/m) 5 Hộp 60x60x1.2-->3.8 20 2.20--> 6.61(Kg/m) 6 Hộp 60x120x1.5-->3.8 15 4.15--> 10.19(Kg/m) 7 Hộp 75x75x1.5-->3.8 16 3.45--> 8.40(Kg/m) 8 Hộp 90x90x1.5-->4.0 16 4.15--> 10.69(Kg/m) Bảng 2.1: Thông số các loại thép hộp Trong hệ thống sử dụng thép
- Hộp vuông với thông số kỹ thuật 50x50x3.0 trọng lượng 4.37(Kg/m) - Hộp chữ nhật 100x50x3.0 trọng lượng 8.41 (Kg/m).
Một số loại thép chữ I
Kích thước thông dụng và độ dày tiêu chuẩn
H(mm) B(nm) T1(mm) T2(mm) L(mm) W(kg/m) 100 55 4.5 6.5 6 9.46 120 64 4.8 6.5 6 11.50 150 75 5 7 12 14 198 99 4.5 7 12 18.2 200 100 5.5 8 12 21.3 250 125 6 9 12 29.6 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật thép chữ I Trong hệ thống sử dụng thép chữ I 100x55x4,5 trọng lượng 9,46(Kg/m) 2.3.2 Tính chọn hệ thống ống dẫn Một số loại ống chịu áp lực
SỐ TT CỠ ỐNG ĐƠN GIÁ(đ/m) ÁP SUẤT DN (Bar) 01 Ø16 x 1,00 mm 3.350 13 02 Ø16 x 0,80 mm 2.850 10 03 Ø21 x 3,00 mm 11.550 31 04 Ø21 x 1,70 mm 7.150 17 05 Ø21 x 1,40 mm 5.900 13 06 Ø21 x 1,20 mm 4.950 11 07 Ø27 x 3,00 mm 14.850 25 08 Ø27 x 1,80 mm 9.350 14 09 Ø27 x 1,40 mm 7.600 11 10 Ø27 x 1,10 mm 5.900 8 11 Ø34 x 4,00 mm 24.750 27 12 Ø34 x 3,00 mm 19.250 19 13 Ø34 x 1,90 mm 12.650 12 14 Ø34 x 1,60 mm 10.450 10 15 Ø34 x 1,30 mm 9.050 8 Bảng 1.3 Một số loại ống chịu áp lực Lấy theo các mô hình đã có sẵn ta có:
Độ dày kính ống bằng 0.35mm và áp suất máy bơm là 21 bar nên ta chọn loại ống A1 với các thông số sau: Cỡ ống: 34x4,00mm, áp suất tối đa là 27 bar
Tính toán áp lực chất lỏng:
Chọn ống dẫn có tiết diện d1=35mm
Chọn vòi phun: 10 vòi , mỗi vòi có tiết diện d2=1mm Vận tốc nước tại mỗi vòi phun 4,55 m/s
Ta có vận tốc nước tại ống dẫn: V= 4,55.10/35=1,3m/s
Lưu lượng nước tại ống dẫn:
Q=v.s=1,3.π =1,3.3,14. =0,005( /s) Chọn:
Ống dẫn dài L=20m Một khóa có ϧ=0,3
Hiệu suất toàn phần của máy bơm µ=0,85
Đây là bài toán đường ống có bơm làm việc. Ta có công thức 7-4 trang 175 [5] để tính công suất máy bơm
N = ml = (kw)
Trong đó: y: trọng lượng riêng của chất lỏng
Q: Lưu lượng (Hay thường gọi là năng suất máy bơm) Ƞ: Hiệu suất toàn phần
H: Cột áp toàn phần Tính cột áp H: 6-4 trang 75 [5] H = + + ∆h + Với: : Tổng tổn thất áp lực ở ống hút : Tổng tổn thất áp lực ở ống đẩy
∆h: Độ chênh lệch giữa hai vị trí cuối ống đẩy và đầu ống hút
Trong trường hợp này vì tại đầu và cuối ống đẩy đều là áp suất không khí nên trung bình lại bằng 0
Theo điều kiện bài toán phải tính toán chung cho cả ống do đó:
+ = = + + + +…+
Lần lượt tính: a, =ℽ
ℽ=f(Re,n) hệ số ma sát ( hệ số Đắc xi) l: Chiều dài ống
d: Đường kính ống( đối với dòng có tiết diện bất kỳ thì thay d=4R, trong đó R là bán kính thủy lực)
Muốn xác định ℽ phải xác định trạng thái dòng chảy trong ống, tức là tìm số Re 6-8 trang 56 [6]:
Re = = = = = 1,389.
Vì lưu lượng và vận tốc đầu ra cực lớn nên ta giả sử dòng chảy vừa tính với Re>>Rec
2.3.3 Tính chọn động cơ
2.3.3.1 Động cơ bơm nước và chất tẩy rửa
Với công suất tính toán ta có công suất máy bơm là 2,46 Kw. Vậy nên ta chọn đầu
máy bơm rửa xe áp lực TT36 cho hệ thống rửa xe tự động
Chế độ phun cao áp Chế độ phun thấp áp Đơn vị
Tốc độ 800-1000 1200-1400 Vòng/phút
Lưu lượng 29-34 30-45 Lít/phút
Áp suất 21-45 10-15 Bar
Công suất 3 5 HP
Bảng 2.3Thông số kỹ thuật máy bơm TT36
2.2.3.2 Động cơ băng tải
Ta lấy khối lượng trung bình của xe 7 chỗ nặng nhất là 1,5 tấn. Cộng với khối lượng của đế để xe lên 200 kg
Lực kéo là Fms= m*a với a là hệ số ma sát lăn lấy 0,18 thì F= 3100(N) 1. Lực kéo băng tải: F=3100(N).
2. Vận tốc băng tải: v = 1,1(m/s).
3. Đường kính tang băng tải D = 290(mm).
Ta chọn hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 20 hiệu suất là 0,84 - Động cơ được chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Công suất định mức của động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất làm việc chia hiệu suất của hệ thống
≥
+ Điều kiện về mô men :
+ Khi động cơ làm việc quá tải thì nhiệt độ phát ra vẫn không quá nhiệt độ cho phép động cơ vẫn làm việc ổn định
- Tính toán công suất
+ Công suất danh nghĩa của băng tải: =
: lực kéo băng tải (N)
: vân tốc dài của băng tải(m/s) = = 3,41(kw)
+ Tính công suất đẳng trị của động cơ
≥ ≥ = 4,07(kw) + Tính số vòng quay của trục trong 1 phút : Với D là đường kính tang
= = = 72,4 Mô men thực tế trên băng tải
= = = 449,5× (Nmm) = 449,5(Nm) - Tiến hành chọn động cơ
Dựa theo các thông số đã tính toán , có thể chọn loại động cơ K mang nhãn hiệu K132M4 kiểu có bích , có các thông số kỹ thuật như sau.
+ Công suất =4,5 (kw)
+ Vận tốc quay (50Hz) : =1445 v/ph + =2
+ Khối lượng 7,2 kg
2.2.3.2 Động cơ quạt sấy khô
Chọn quạt hút gió công nghiệp cỡ lớn để sấy xe khô được nhanh hơn, đảm bảo tổng thời gian rửa xe được ngắn gọn nhất và tiết kiệm chi phí
Quạt hút công nghiệp DASIN KIN-500 của công ty DASIN - Điện áp: 220V/50Hz
- Tốc độ gió: 315m/min - Lưu lượng gió: 226m3/h - RPM: 1450
- Kích thước sp: 620 x 480 x 695mm - Trọng lượng: 23.7kg
Quạt hút KIN-500 có thiết kế 6 lá cánh bằng hợp kim nhôm, motor được quấn bằng 100% dây đồng, quạt hút có bánh xe có thể di chuyển dễ dàng trong quá trình sử dụng.
Quạt hút KIN-500 có lưu lượng gió 13.560m3/h, đường kính quạt 500mm chuyên dùng cấp gió trong thi công công trình. Chúng tôi có cung cấp luôn ống gió có đường kính 520mm, chiều dài 5m/ống, các ống dễ dàng nối lại với nhau nhờ khuy sắt và dây cột ở miệng ống.
2.2.3.3 Động cơ kéo khung chuyển động
Chọn tỉ số truyền i=15 , = 0,9 ( 3 cặp bánh răng)
Chọn hệ số ma sát lăn giữa đường ray và bánh xe là k=0,05 Số vòng quay động cơ là 1420 vòng/phút
Khối lượng khung = 4,5 m thép chữ I + 61,6m thép 50x50x3 + 40m thép 100x50x3 + động cơ và các thiết bị khác
Tổng trọng lượng của khung theo tính toán là 698 kg Lực ma sát tác dụng lên toàn bộ khung là
= N * k= 698*10*0,05= 342,02 N
Momen tại trục bánh xe cần để thắng ma sát là M=F*d=342,02*395=135098(Nmm)
Momen tại trục động cơ là: Mdc=M/(0,9*15)= 9266
Pdc= 9266*1420/(9,55*10000000) = 1,36 KW
Theo bảng 2.9 thì ta chọn động cơ có công suất là 1,5 kw Vậy ta chọn động cơ có các thông số kỹ thuật sau
Kiểu Công suất Tốc độ Điện áp Tỷ số truyền
KW Vg/p V i
Động cơ liền hộp giảm tốc dạng trục thẳng và lắp
chân đế
1,5 1420 220/380 15
Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật động cơ kéo khung
2.3.4 Tính chọn van điều khiển
Xét các điều kiện:
- Áp suất máy bơm 21 bar
- Van làm việc trong điều kiện tiếp xúc liên tục với hóa chất tẩy rửa
- Hệ thống điều khiển của trạm rửa xe tự động không đòi hỏi tính phức tạp với tiêu chí giảm giá thành sản xuất và đảm bảo cho hệ thống hoạt động đơn giản và có hiệu quả, nên chúng em quyết định chọn van điều khiển bằng điện được sản xuất tại Đức
Van tuyến tính or On/Off của Đức- Motor Control Valve Germany điều khiển chuyên dung trong công nghiệp: Hơi nước , nước, hóa chất…
Cấu tạo:
- Dùng trong: Nước & hơi nước - Mặt bích: Chuẩn DIN EN 1092-2
- Áp suất đóng van tối đa 25 bar
2.3.5 Chọn cảm biến
Cảm biến hành trình khung
Do yêu cầu về khoảng cách và độ chính xác nên ta chọn “ Modul cảm biến phát hiện vật cản”
Hình 2.5 Modul cảm biến phát hiện vật cản
- Bảo vệ IP67( chống bụi , chống nước) Đặc tính kỹ thuật
- Có mạch bảo vệ nối ngược cực nguồn, quá áp.
- Có thể kiểm tra trạng thái hoạt động bằng hiển thị LED - Tuổi thọ dài và độ tin cậy cao
- Khoảng cách phát hiện : 1,5mm … 15mm - Kích thước M8, M12, M18, M30 mm
- Nguồn cấp: Loại 3 dây nguồn 12-24 VDC hoặc loại 2 dây nguồn 100-240VAC - Tần số đáp ứng lên tới 800Hz
- Kiểu đầu ra Dc 3 dây (NPN, PNP) , DC 2 dây , AC 2 dây - Trạng thái đầu ra : NO/NC
Ứng dụng
- Với khả năng phát hiện vật thể từ tính, cảm biến phù hợp với các ứng dụng phát hiện, đếm sản phẩm trong các dây chuyền công nghiệp…
Để truyền động giữa hai trục cách xa nhau, ta cân nhắc giữa các phương án sau.
Phương án thứ nhất : bộ truyền xích
Ưu điểm :
Không có hiện tượng trượt như bộ truyền đai, có thể làm việc khi có quá tải đột ngột, hiệu suất cao.
Không đòi hỏi phải căng xích nên lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn. Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu có cùng công suất.
Nhược điểm :
Bản lề xích bị mòn nên gây tải trọng động, ồn.
Có tỉ số truyền tức thời thay đổi, vận tốc tức thời của xích và bánh bị dẫn thay đổi.
Phải bôi trơn thường xuyên.
Mau bị mài mòn trong môi trường có nhiều bụi hoặc bôi trơn không tốt.
Phương án thứ hai: Bộ truyền vít me đai ốc
Hình 2. 4 Bộ truyền đai răng
Ưu điểm:
Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm. Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn.
Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao.
Nhược điểm:
Hiệu suất thấp do ma sát trên ren. Nhanh chóng bị mài mòn.
Phương án thứ 3: Bộ truyền đai răng.
Ưu điểm :
Bộ truyền đai răng kết hợp những ưu điểm của dây đai dẹt và dây đai hình thang với sự không có độ trượt của dây xích.
Chạy êm, ít ồn, chịu sốc. Khoảng cách trục có thể lớn. Không cần thiết bôi trơn. Phí tốn bảo dưỡng ít.
Nhược điểm:
Sức căng ban đầu thấp, dây đai bị dãn sau thời gian làm việc, thường xuyên căng đai.
Hình 2. 5 bộ truyền bánh răng thanh răng
Phương án thứ tư: Bộ truyền bánh răng thanh răng
Ưu điểm :
Kích thước khá nhỏ nhưng lại có khả năng vận tải lớn để đảm bảo sự hoạt động của toàn bộ hệ thống máy móc.
Không có hiện tượng trượt trơn nên tỷ suất truyền không đổi và cho hiệu suất cao.
Được chế tạo bởi kim loại nguyên chất nên bộ truyền có tuổi thọ rất cao.
Nhược điểm :
Tuy nhiên một nhược điểm lớn của sản phẩm này là quy trình chế tạo khá phức tạp, đòi hỏi độ chính xác gần như tuyệt đối.
Khi vận hành với vận tốc lớn sẽ gây tiếng ồn khó chịu.
Lựa chọn phương án
“ bộ truyền đai răng ” được chọn cho toàn bộ cơ cấu. Bởi vì các lí do sau:
Đảm bảo tính linh hoạt, hoạt động êm ái, độ chính xác điều khiển cao và giảm chi phí.
Đồng bộ để thuận tiện trong công tác lắp ráp sửa chữa sau này. Trong quy mô đồ án, không yêu cầu chịu tải trọng lớn
2.3.6 Tính toán động lực học cho bộ truyền đai
- Xác định các thông số của bộ truyền: a) Đường kính bánh đai:
Bánh đai cho cả 2 đầu:
d1 = (5,26,4)332185,8= (165,4203,6) mm theo dãy tiêu chuẩn đường kính bánh đai chọn đai vải
cao su, có lớp lót, d1 = 180 mm > dmin = 140 mm. Kí hiệu đai Б-800, số lớp: 3. - TST thực tế: ut = 2 1(1 ) d d = 450 180(1 0,01) = 2,525
Sai lệch TST: uđ = (ut – uđ)/uđ = (2,525-2,5)/2,5 = 1,01% < 3% b) Khoảng cách trục a: 5m
c) Chiều dài đai l: 10m
cộng thêm từ 100400 mm tùy theo cách nối đai.
Số vòng chạy của đai: i = v/l = 13,62/3,206 = 4,25 < imax = 3...5 s-1 .
l thỏa mãn yêu cầu về tuổi thọ. d) Góc ôm 1: 1 = 1800 d2 d1 a .570 = 180 – 270.57/1100 = 1660 > 1500 = min. e) Tiết diện đai và chiều rộng bánh đai:
Lực vòng Ft = 357,6 N. chọn đai vải cao su, nên lấy
1 max d = 1 40
chiều dài đai: = 1
40
d
= 180/40 = 4,5 mm.
f) Ứng suất có ích cho phép: [F] = [F]0CCvCo [F]0= k1 - 2 1 k d
với bộ truyền tự căng, lực căng không đổi: o = 2,0 MPa k1 = 2,7
k2 = 11,0 [F]0 = 2,425 MPa C- Hệ số ảnh hưởng của góc ôm 1, bảng 4.10
[1]
57 : C = 0,955
Cv - Hệ số ảnh hưởng của lực li tâm đến độ bám của đai trên bánh đai, Cv = 0,98 cho đai vải cao su, v = 13,62 m/s
Co - Hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền đai và phương pháp căng đai Co = 1
Từ đó có [F] = 2,425. 0,955. 0,98. 1 = 2,27 MPa g) Chiều rộng đai và bánh đai:
- Chiều rộng đai b = F [ ] t d F K Kđ = 1 b = 357,6.1 2, 27.4,5 = 35,0 mm
Lấy b theo tiêu chuẩn: b = 32 mm - Chiều rộng bánh đai (B):
B = 40 mm, tra bảng 21.16 [2] 164
h) Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục: Fo = o. .b = 2. 4,5. 32 = 288 N Fr = 2Fo sin 1 2 = 2.288.sin166 2 = 571,7 N
* Kết quả: d1 = 180 mm b = 32 mm d2 = 450 mm = 4,5 mm
l = 3206 mm Fr = 571,7 N: Lực tác dụng trên trục.
2.4 Lựa chọn linh kiện sử dụng trong mô hình
2.4.1 Bộ điều khiển
2.4.1.1 Điều khiển bằng plc
a) Định nghĩa PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller (Tiếng Việt: Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được). Khác với các bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuật toán điều khiển nhất định, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển tùy biến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình. Do vậy, nó cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật Bản), Mitsubishi (Nhật Bản), Delta (Đài Loan) ...
Ngôn ngữ lập trình phổ biến là LAD (Ladder logic - Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List - Liệt kê lệnh) và Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất
Hình 2. 6 Bộ điều khiển PLC
Ngày nay các hệ thống điều khiển hiện đại không thể thiếu PLC, nó được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực điện tự động hóa, phục vụ cho nhiều ngành, nhiều loại máy móc như: cấp nước, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, giám sát hệ thống điện, máy đóng gói, máy chế biến thực phẩm, dây chuyền băng tải…vv
b) Cấu trúc bên trong PLC
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM
- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán