2.1.1. Lựa chọn cơ cấu chính cho hệ thống và kiểu dáng thiết kế của thiết bị 2.1.1.1. Cơ cấu nâng hạ cho thiết bị 2.1.1.1. Cơ cấu nâng hạ cho thiết bị
2.1.1.2. Kiểu dáng thiết kế của thiết bị 2.1.2. Sơ đồ động của hệ thống 2.1.2. Sơ đồ động của hệ thống
2.2. Tính tốn lực cần thiết để lựa chọn động cơ kích và cơng suất động cơ cho băng tải
2.2.1. Tính tốn để lựa chọn cơng suất động cơ kích nâng hạ 2.2.2. Tính cơng suất động cơ cho băng tải
2.2.3. Lựa chọn động cơ cho băng tải
2.3. Tính tốn độ an tồn trong những điều kiện làm việc của thiết bị 2.3.1. Mô phỏng lực phân bố tải trọng lên thiết bị 2.3.1. Mô phỏng lực phân bố tải trọng lên thiết bị
2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
2.3.3. Ứng dụng phần mềm Ansys để tìm tần số riêng cho thiết bị khi làm việc 2.3.4. Mô phỏng độ biến dạng của thanh inox chữ U và ứng suất của ba con bu 2.3.4. Mô phỏng độ biến dạng của thanh inox chữ U và ứng suất của ba con bu lơng khi có tải trọng đặt lên băng tải.
Giới thiệu về chương II
Trong chương II này tác giả sẽ giới thiệu về kết cấu chính của khung giường. Cách lựa chọn các cơ cấu chính sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng, kiểu dáng chính trên mơ hình 3D, sơ đồ động, cách tính chọn công suất cho băng tải và công suất của kích nâng khung giường bệnh. Bên cạnh đó cịn phải kể đến những bài tốn về độ an toàn của hệ thống trong quá trình làm việc như lực phân bố tải trọng, tìm tần số dao động riêng của hệ và tính bền của khung sắt khi có bệnh nhân nằm lên.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
2.1. Thiết kế hệ thống cơ khí
2.1.1. Lựa chọn cơ cấu chính cho hệ thống và kiểu dáng thiết kế của thiết bị
Hình 2.1- Thiết bị giường chuyển bệnh nhân Citadel NRX
Đối với thiết bị Citadel NRX được giới thiệu ở cuối Chương I, hai cơ cấu quan trọng nhất đó chính là cơ cấu nâng hạ lên xuống cho giường bệnh và cơ cấu di chuyển ra vào của băng tải. Vì cơ cấu chuyển động của băng tải được ứng dụng trong thực tế rất nhiều nên tác giả sẽ không đề cập trong đề tài này mà chỉ tập trung vào việc chọn lựa cơ cấu nâng hạ cho thiết bị giường chuyển bệnh nhân này. Việc chọn lựa cơ cấu nâng hạ nhằm tiết kiệm chi phí sản xuất cũng như đảm bảo độ an tồn cho người sử dụng.
2.1.1.1. Cơ cấu nâng hạ cho thiết bị
Các dạng cơ cấu nâng hạ thường hoạt động dựa trên cách thức chuyển chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Một cơ cấu thường dùng để đảm bảo lực nâng và yếu tố an tồn thường dùng là vít me đai ốc. Cùng là cơ cấu vít me đai ốc nhưng ta có nhiều cách kết hợp khác nhau. Đầu tiên tác giả sẽ giới thiệu sơ lược về vít me đai ốc và một số cơ cấu liên quan.
Vít me đai ốc hay trục vít me đai ốc, là hệ thống được gia cơng chính xác để truyền chuyển động. Chúng có nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Trong đó vít me đai ốc bi là loại có độ chính xác hơn cả. Việc tiếp xúc giữa trục vít và đai vít bởi một lớp bi thép có tác dụng giảm triệt để lực ma sát trượt khi chuyển động,
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
đem lại những chuyển động chính xác cao, trơn tru, mượt mà, bền bỉ, liên tục và ổn định trong thời gian dài.
Khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi có sự đổi hướng trong ống lệch hướng rồi đi vào ống hồi bi. Ở vị trí đó, các viên bi có thể di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc và ra khỏi ống hồi bi rồi đi vào rãnh đai ốc và vít me, đem lại những chuyển động trơn tru, liên tục, chính xác. Vít me đai ốc có hai loại chính là vít me đai ốc trượt và vít me đai ốc bi. Vít me đai ốc trượt có độ chính xác cao, tỷ số truyền lớn, cho những chuyển động êm ái, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn. Tuy nhiên trong đề tài này, tác giả sẽ giới thiệu về vít me đai ốc bi vì loại vít me này có những ưu điểm hơn vít me đai ốc trượt như:
- Truyền chuyển động với độ chính xác cao, ma sát thấp.
- Chuyển động êm ái, nhẹ nhàng ngay cả khi vận hành với tốc độ thấp.
- Trục vít me có độ cứng vững hướng trục cao, khơng có khe hở trong các mối ghép.
Hình 2.2- Trục vít me đai ốc bi. (Nguồn: Internet)
Một cơ cấu trục vít me đai ốc bi tiêu chuẩn phải có đầy đủ những đặc điểm sau đây: - Ma sát trượt khơng đáng kể: Tiêu chuẩn trục vít me đai ốc chất lượng cao phải hạn chế tối đa lực ma sát trượt trong quá trình biến đổi chuyển động, đem lại hiệu suất làm việc vượt trội, những chuyển động chính xác, trơn tru, nhẹ nhàng, ít tiếng động.
- Khơng có độ rơ, độ cứng cao: Bộ vít me chất lượng sẽ không tồn tại khe hở trong mối ghép, khơng có độ rơ khi vít me bi đảo chiều quay. Đồng thời, các viên bi tạo áp lực đồng đều trên tồn bộ bề mặt trục vít, đảm bảo độ cứng vững cao, cho phép tạo ra lực căng ban đầu hiệu quả.
- Cho phép hoạt động hiệu quả với tốc độ cao: Sử dụng vít me đai ốc bi đem lại hiệu suất truyền động cao, nhiệt độ thấp, có thể di chuyển với tốc độ cao mà không ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Nhờ những ưu điểm, tính năng vượt trội kể trên mà bộ truyền vít me đai ốc bi có phạm vi ứng dụng ngày càng phổ biến và rộng rãi trong cách ngành công nghiệp. Chúng dùng để làm vít me bi máy plasma, vít me bi máy laser, máy điều khiển tự động, máy công cụ, thiết bị y tế, thiết bị năng lượng xanh, các loại robot cơng nghiệp…
Vì những ưu điểm và tính ứng dụng thực tế cao mà trong đề tài này, nhóm nghiên cứu cũng sẽ tìm hiểu một loại thiết bị hoạt động theo nguyên tắc chuyển động của vít me nêu trên, thiết bị được nhóm nghiên cứu tìm hiểu chính là thiết bị xi lanh điện. Hai thiết bị này sẽ được giới thiệu ngay dưới đây.
- Cơ cấu nâng hạ bằng xi lanh điện
Xi lanh điện là thiết bị có chuyển động kiểu tuyến tính. Bộ điều khiển xi lanh điện có chức năng hỗ trợ điều khiển vị trí, có thể đạt tới mức độ vơ cấp đối với công nghệ tiên tiến hiện nay. Sự xuất hiện của xi lanh điện tạo ra độ cạnh tranh mạnh mẽ với thiết bị xi lanh khí và xi lanh dầu.
Vượt trội hơn xi lanh khí và xi lanh dầu về khả năng sử dụng. Không cần nhiều thiết bị phụ trợ như bơm dầu, bình chứa hoặc máy nén, khiến xi lạnh điện ứng dụng rộng rãi hơn. Cấu tạo đơn giản mang lại cho thiết bị độ bền và thời gian sử dụng lâu dài hơn. Các ngành công nghiệp, nhà máy sản xuất thường chọn lắp đặt xi lanh điện vì nó có tuổi đời làm việc lâu dài, ít bị hư hại, khơng tốn nhiều chi phí thay thế. Tuy nhiên, khi sử dụng xi lanh điện ta cần lưu ý và lựa chọn những thông số như: điện áp vận hành, hành trình hoạt động, tốc độ một cách hợp lý để xi lanh điện vận hành một cách hiệu quả và tối ưu nhất cho thiết bị hoặc hệ thống sẽ sử dụng.
Xi lanh điện có cấu tạo từ 5 bộ phận chính như trong Hình 2.3 [13]:
- Trục vít và đai ốc bi: thực hiện quy đổi chuyển động tròn xoay sang chuyển động tịnh tiến, tạo cho xi lanh chức năng hoạt động hiệu quả hơn.
- Động cơ điện: kích hoạt khả năng làm việc của xi lanh. Tùy vào ứng dụng đối với mỗi hệ thống mà người dùng có thể lựa chọn kết nối điện áp xoay chiều hoặc điện áp 1 chiều.
- Vòng đệm: chi tiết nhỏ này có khả năng chống bụi, chống va đập, thực hiện đỡ cần khi xi lanh điện chuyển động tịnh tiến.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
- Dẫn hướng: thông thường để dẫn hướng thì cơ cấu được tạo ngồi vỏ xi lanh. Ngăn chặn đai ốc bị xoay trong khi trục vít xoay.
- Ổ bi chịu lực: hỗ trợ hoạt động quay êm ái, không gây ra tiếng ồn. Chịu được lựa của trục vít trong suốt thời gian làm việc.
Hình 2.3- Cấu tạo xi lanh điện. (Nguồn: Internet)
Nguyên lý hoạt động của xi lanh điện như sau: Khi cấp nguồn điện áp vào bộ điều khiển xi lanh điện thì điện năng sẽ được chuyển hóa thành cơ năng (momen xoắn). Lực này sẽ tác động đến cần xi lanh khiến nó chuyển động dọc theo phương của thân. Chuyển động sẽ diễn ra tịnh tiến theo một hành trình cài sẵn. Dưới các chương trình và mã hóa xây dựng sẵn được cài vào bộ điều khiển xi lanh điện cho phép người sử dụng tùy chỉnh được các thơng số sau: tốc độ, vị trí, lực đẩy, hành trình trong hệ thống trung tâm. Nhằm đáp ứng yêu cầu làm việc tốt hơn, người điều khiển có thể lập trình trên máy tính sau đó tải dữ liệu lên bộ điều khiển để hoạt động.
Hiện nay, ứng dụng của bộ điều khiển xi lanh điện như: hệ thống nội thất nhà bếp thông minh, các loại ghế mát xa, bàn làm việc có thể nâng lên hạ xuống. Những hệ thống đóng mở tự động của cửa xe ơ tô, tàu, máy bay. Lắp trên hệ thống đường ống dẫn lưu chất có van bướm điều khiển bằng điện. Trong công nghiệp xi lanh điện cần được dùng để nâng hệ máy móc trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp nữa. Riêng với ngành y tế, thiết bị y tế như giường bênh, xe lăn đều sử dụng xi lanh điện cho quá trình hoạt động.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Hình 2.4- Xi lanh điện SMC [14]
Như Hình 2.4 trên là loại xi lanh điện mà nhóm nghiên cứu lựa chọn ban đầu có tên là LEY40 và thiết bị có những thơng số như sau:
- Điện áp hoạt động sử dụng nguồn điện 24VDC. - Hành trình di chuyển của xi lanh: 30 – 500mm. - Lực đẩy cực đại: 1058N (hơn 100kg).
- Tốc độ di chuyển tối đa của xi lanh: 300mm/s. - Chiều dài trục vít me: 4, 8, 16mm.
Đối với loại xi lanh điện này thì trọng tải tối đa nâng được chỉ 100kg, vì vậy với những bệnh nhân có cân nặng trên 100kg thì phải cần đến hai bộ xi lanh điện. Do đó, khả năng chịu tải trọng kém là một điểm trừ đối với thiết bị này, nếu sử dụng loại xi lanh AC thì sẽ chịu được tải trọng lớn hơn nhưng loại này phải có dây điện nối lưới hoặc bộ chuyển đổi (Inverter). Bên cạnh đó nếu sử dụng hai xi lanh điện cho thiết bị giường chuyển bệnh nhân thì sẽ gây những khó khăn trong việc điều chỉnh tốc độ làm việc của 2 xi lanh và sẽ phát sinh thêm chi phí lắp đặt thêm bộ điều khiển đồng tốc, driver, vv…
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Theo báo giá thì một cặp xi lanh điện LEY40 này có giá trên 60 triệu đồng, với mục tiêu giảm giá thành thiết bị giường chuyển bệnh nhân thì rất khó để lựa chọn một thiết bị nâng hạ có giá thành cao như thế. Vì thế, nhóm nghiên cứu đã chuyển hướng sang một thiết bị khác có những đặc điểm ít nổi trội hơn nhưng chi phí thấp hơn rất nhiều so với xi lanh điện SMC. Thiết bị này sẽ được giới thiệu ngay sau đây.
- Cơ cấu nâng hạ bằng kích điện
Bàn nâng chữ X hay cịn gọi là bàn nâng cắt kéo được ứng dụng trong những lĩnh vực công nghiệp như: dệt may, lắp ráp oto, máy móc, thực phẩm…[15] . Với kết cấu đơn giản, khả năng chịu tải trọng lớn và giá thành rẻ, cơ cấu này ngày càng được sử dụng nhiều trong đời sống hiện nay.
Hình 2.5- Bàn nâng chữ X. (Nguồn: Internet)
Cấu tạo của bàn nâng này là một sàn nâng thủy lực hoặc điện và được gắn với phần trên nối liền với thiết bị cắt kéo. Những chi tiết của bàn nâng được thiết kế phù hợp với kích thước của khách hàng yêu cầu. Kích điện chữ X nâng hạ nhờ vào hệ thống điện được liên kết với hệ thống điều khiển và được kết nối với sàn nâng. Khi hoạt động, bàn nâng di chuyển lên xuống hoặc xếp gọn gàng thông qua kết cấu kiểu chân cắt kéo.
Loại thiết bị có nguyên tắc hoạt động tương tự bàn nâng chữ X mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu ở đây là loại kích điện thương hiệu ROGTZ của Đức, loại thiết bị này có kiểu dáng nhỏ gọn, độ bền cao, độ chính xác phù hợp với ứng dụng đang nghiên cứu, không phát ra tiếng ồn, dễ dàng lắp đặt. Bên cạnh đó giá thành loại kích điện này lại cực kì thấp, chỉ hơn 1 triệu đồng. So với xi lanh điện SMC thì giá thành loại kích điện này là cực kì rẻ. Cơng suất của thiết bị này sẽ được chứng minh là phù hợp với ứng
dụng như trong phần tính chọn cơng suất động cơ ở mục 2.2.1
Từ những đặc điểm của hai loại cơ cấu nâng hạ là xi lanh điện và sàn nâng chữ X, cùng với mục đích chế tạo thiết bị dùng trong bệnh viện yêu cầu tính nhỏ gọn trong thiết
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
kế cũng như giảm giá thành trong chế tạo. Vì vậy, trong đề tài này sẽ sử dụng bộ nâng kích gầm xe oto bằng điện, thương hiệu cao cấp của Đức (ROGTZ) như trong Hình 2.6 dưới đây.
Hình 2.6- Thiết bị kích nâng điện ROGTZ sử dụng trong đề tài [16] Loại bàn nâng này có những đặc điểm nổi bật như sau:
- Sản phẩm bao gồm 1 kích và 1 cờ lê giúp người dùng dễ dàng thao tác và tiết kiếm được sức lực và thời gian khi lắp đặt cũng như sử dụng.
- Chất liệu làm từ thép cán nguội tấm dày, độ bền cao và tính ổn định. - Biên độ làm việc của kích là từ 12 – 35cm là phù hợp với ứng dụng.
- Kích thước nhỏ gọn chỉ với: 45 x 23 x 13 cm giúp cho việc lắp đặt kích lên hệ thống khung giường sẽ dễ dàng và ít chiếm diện tích xung quanh.
- Sản phẩm vận hành tốt với những tải trọng dưới 2 tấn.
- Sản phẩm được phun sơn toàn bộ, giúp bảo vệ bề mặt và dễ dàng lau chùi bảo quản sản phẩm.
- Ít bị oxi hóa trong mơi trường tự nhiên.
Thơng số kỹ thuật của sản phẩm được trình bày trong Bảng 2.1 dưới đây Bảng 2.1- Thơng số kỹ thuật của kích điện ROGTZ
Tải trọng tối đa làm việc < 2 tấn Chiều cao nâng tối đa 35cm Trọng lượng sản phẩm 4.5kg
Công suất 100W
Nguồn điện DC 12V- 10A
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Tuy nhiên, việc lắp đặt một kích điện nâng hạ băng tải trong hệ thống sẽ phát sinh tình trạng băng tải khi nâng hạ sẽ bị lệch, khơng cân bằng, gây khó khăn cho việc hoạt động của hệ thống.Vì vậy, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng hai kích nâng điện đặt ở hai bên để việc nâng hạ băng tải hoạt động một cách mượt mà hơn.
Như vậy, tác giả đã trình bày xong việc lựa chọn loại cơ cấu nâng hạ cho thiết bị