Chọn cơ cấu nâng hạ

CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ

4.3 Lựa chọn và tính toán cơ cấu

4.3.4 Chọn cơ cấu nâng hạ

Với trình độ khoa học kỹ thuật nhƣ hiện nay, chúng ta có nhiều lựa cho cơ cấu cơ khí để nâng hạ một vật nhƣ:

 Nâng hạ bằng vít-me

Hình 4.6: Cơ cấu vít me

Cơ cấu vít me có ƣu điểm là lực tác động theo cả hai chiều lên và xuống là tƣơng đƣơng nhau. Ngồi ra có thể điều chỉnh tốc độ dịch chuyển lên xuống của trục vít bằng điện hay quay tay.

 Nâng hạ bằng cáp

Hình 4.7: Nậng hà cáp sử dụng động cơ

Cơ cấu nâng hạ bằng cáp treo có nhiều chi tiết có cấu tạo phức tạp nhƣng nâng đƣợc vật có khối lƣợng lớn.

Hệ thống sử dụng động cơ điện, khi sử dụng thêm hộp giảm tốc, khả năng tăng tỷ số truyền là dễ dàng, khi tăng tỷ số truyền là tăng mômen kéo. Từ hai ƣu điểm trên làm cho khả năng kéo tải trọng lớn của tời đƣợc nâng cao.

28

 Cơ cấu hình bình hành:

Hình 4.8: cơ cấu nâng hạ hình bình hành

Cơ cấu hình bình hành có nhiều ƣu điểm về truyền động cũng nhƣ dẫn hƣớng. Ngồi ra nó cịn giúp tăng khoảng cách nâng hạ.

Các cơ cấu nâng hạ trên đều có ƣu điểm và nhƣợc điểm nhƣng do vật nâng có khối lƣợng nhỏ và nhà xƣởng đã đƣợc trang bị sẵn hệ thống khí nén nên để tiết kiệm chi phí nhóm đã chọn sử dụng hệ thống xy lanh khí nén và cơ cấu hình bình hành làm cơ cấu nâng hạ trong hệ thống.

4.3.5 Tính tốn và chọn xylanh nâng:

 Tính tốn đƣờng kính xylanh nâng Ta có các thơng số sau :

Áp suất khí nén trong xƣởng : P=5 bar= 500000 N/m2 Tải trọng đáp ứng : F= m.g=20x10=200 N Lƣu lƣợng khí nén : Q = 1,2-66 m3/min

Theo cơ sơ lý thuyết ta có cơng thức tính đƣờng kính xylanh nhƣ sau:

(1)

(2)

29

 Lựa chọn xylanh nâng

Để lựa chọn xylanh phù hợp cho cơ cấu ta phải dựa vào các bảng tra cứu xylanh sau:

Bảng 4.1: Hành trình của các xylanh

Bảng 4.2: Thơng số của các xylanh

Tuy nhiên với thực tế là công ty thƣờng xuyên thay đổi phƣơng án sản xuất, có thể khối lƣợng vật cần nâng sẽ lớn lơn dự kiến nên kết hợp các bảng trên nhóm chọn xylanh tác động hai chiều có các thơng số nhƣ sau:

Đƣờng kính xylanh : 32 mm Đƣờng kính cần xylanh : 12 mm Diện tích làm việc của xylanh : 803,8 mm2 Diện tích làm việc khoang cần : 690,8 mm2 Hành trình xylanh : 400 mm

30

Với yêu cầu thực tế độ cao ở nơi sản xuất

Hình 4.9: Sơ đồ khoảng cách lúc làm việc

Xylanh nâng có hành trình 400 mm đã chọn khơng đủ đáp ứng độ cao cần nhiết của thanh móc treo khi di chuyển (để tránh tủ kệ, ngƣời làm việc).

Nhóm chọn cơ cấu hình bình hành (lấy 1,5 hình) để tăng thêm 1,5 lần hành trình của cả cơ cấu đạt 600 mm nhƣ yêu cầu nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc độ cứng vững.

Ta có xylanh có tổng chiều dài là : 400 + 520 = 920 mm

31

Với kích thƣớc xylanh nhƣ trên, ta có cơ cấu hình bình hành khi xylanh đi hết hành trình nhƣ sau:

Hình 4.11: Cơ cấu hình bình hành thử nghiệm

Tuy nhiên, cơ cấu trên lại quá cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích, nên nhóm quyết định thu gọn cơ cấu hình bình hành trên bằng cách thêm vào một thanh nối thể hiện nhƣ hình dƣới.

32

Để tránh cơ cấu hình bình hành vƣớng vào góc chết khiến xylanh bị q tải khơng thể kéo đƣợc, nhóm chọn góc 45o làm góc cho cơ cấu khi xylanh đi hết hành trình ( 920 mm).

Lấy kết quả từ cơ cấu vận chuyển ta có đƣợc các kích thƣớc cần thiết cho việc tính tốn cơ cấu hình bình hành.

Hình 4.13: Sơ đồ khoảng cách các cơ cấu khi xylanh đi hết hành trình Ta có: Ta có:

(Cơ cấu nâng hạ) = (Chiều rộng thanh ray trƣợt) + (Hộp trƣợt gắn với ray trƣợt) + ( Chiều dài cơ cấu nâng hạ)

= 412 + 40 + 50 = 532 mm

(Chiều cao cơ cấu hình bình hành) = (chiều cao giàn treo có sẵn) – (cơ cấu nâng hạ) – (khoảng cách làm việc) – (chiều cao bàn) – (thanh nối)

= 2902– 532 – 400 – 810 - 440 = 720 mm

Từ đó, chiều dài của 1 thanh đơn trong cơ cấu là:

33

Khi xylanh rút lại:

Hình 4.14: Sơ đồ khoảng cách các cơ cấu khi xylanh đi vào hết

Tính bậc tự do cho cơ cấu:

Dựa vào cơ sở lý thuyết ta có cơng thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng nhƣ sau: W = 3×n – (2×p5 + p4) + r – s với n : số khâu động r : số ràng buộc thừa s : số bậc tự do thừa p5: số khớp loại 5 p4: số khớp loại 4 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu nâng:

34

Hình 4.15: Các khâu động của cơ cấu Hình 4.16: Các khâu bậc 5 của cơ cấu => Số bậc tự do của cơ cấu nâng : => Số bậc tự do của cơ cấu nâng : => Số bậc tự do của cơ cấu nâng :

W = 3x7 - 2x10 = 1

với n = 7, r = 0, s = 0, p4 = 0, p5 = 10

=> BTD của cơ cấu là 1 nên cần 1 động cơ để vận hành hệ tức là cần một xylanh cho hệ. => Thiết kế đúng.

4.3.6 Lựa chọn cơ cấu vận chuyển:

Do khoảng cách giữa các trạm nhỏ nên có thể dung sức ngƣời để vận chuyển cụm dây điện qua lại giữa các trạm nhƣng xét về lâu dài dung sức ngƣời sẽ làm giảm hiệu suất làm việc ngồi ra cịn gây rối loạn trong việc quản lý.

Với trình độ khoa học kỹ thuật nhƣ hiện nay, chúng ta có nhiều lựa cho cơ cấu cơ khí để di chuyển một vật.

Tên cơ cấu Ƣu điểm Khuyết điểm

Vít-me Lực nâng lớn

Khơng bị trƣợt tự do khi mất truyền động

Yêu cầu bảo dƣỡng cao

Đai răng Làm việc bền bỉ

Không gây ra tiếng ồn

Hệ thống nhiều chi tiết Xích Lực kéo lớn Hệ thống nhiều chi tiết Gây ra tiếng ồn Bảo dƣỡng thƣờng xuyên

Ròng rọc dây cáp Không gây ra tiếng ồn Hệ thống phức tạp

Băng chuyền Làm việc ổn định Chiếm nhiều diện tích

nhà xƣởng

`Xylanh khí nén Cơ cấu không phức

tạm Dễ dàng chuyển động tịnh tiền Gây ra tiếng ồn Hệ thống bổ trợ phức tạp

Bảng 4.3: Các loại cơ cấu vận chuyển

Nhƣng trong khi làm việc công nhân thƣờng dùng tay để kéo cụm dây lại dễ gây ra hƣ hỏng hay cháy động cơ do đó việc dùng động cơ khơng khả thi. Vì khơng thể dùng động cơ để vận hành băng chuyền và do đã có sẵn hệ thống khí nén trong cơng ty nên nhóm chọn dùng khí nén và sử dụng thế năng để vận hành băng chuyền. Vì dùng khí nén có thể chịu đƣợc việc kéo giữ của công nhân trong khi làm việc và tiết kiệm đƣợc chi

35

phí, dễ lắp đặt và bảo trì nên việc sử dụng khí nén là khả thi và đƣợc sử dụng trong cả hệ thống.

Do khoảng không gian làm việc nhỏ và để thuận tiện cho việc kiểm tra giám sát cũng nhƣ tiết kiệm năng lƣợng, chi phí vận chuyển nên hệ thống vận chuyển đƣợc đặt ở trên cao và sử dụng lực thế năng để vận chuyển vật.

4.3.7 Thiết kế cơ cấu vận chuyển:

Kết hợp các yêu cầu và lựa chọn phƣơng án tối ƣu, nhóm đã thiết kế cơ cấu lợi dụng thế năng để vận chuyển nhƣ sau

Hình 4.17 : Thanh trƣợt

2 xylanh 2 đầu làm nhiệm vụ tạo độ nghiêng cho cơ cấu.

Xylanh đƣợc gắn vào giàn đã có sẵn và thanh ray nhờ 2 thanh chữ U giúp linh hoạt.

36

Để dẫn hƣớng cho xylanh và hạn chế bậc tự do, ta cịn có 2 ống dẫn hƣớng liên kết với xylanh.

Cuối cùng đƣợc nối với 2 thanh chữ U qua trục có gắn ổ bi để hạn chế sự ma sát.

Hình 4.19: Cụm xylanh treo thanh trƣợt

Để cơ cấu nâng hạ trƣợt dọc theo thanh trƣợt, nhóm đã thiết kế hộp trƣợt gồm các ổ bi ở 4 mặt nhằm hạn chế 5 bậc tự do,khi lắp đặt các ổ bi sẽ tiếp xúc với 4 mặt của thanh trƣợt giúp cho cụm trƣợt có thể trƣợt dễ dàng trên thanh trƣợt.

37

4.3.8 Tính tốn cơ cấu vận chuyển

 Tính tốn trọng lƣợng xylanh phải nâng

Hình 4.21: Cơ cấu vận chuyển

Bảng 4.4: Thông số vật liệu Dựa vào bảng thơng số vật liệu nhóm cho ra các kết quả sau: Dựa vào bảng thơng số vật liệu nhóm cho ra các kết quả sau:

 Trọng lƣợng của cụm dây : 20kg

 Trọng lƣợng của cơ cấu nâng hạ : 5kg

 Trọng lƣợng của thanh treo móc : 3kg

 Trọng lƣợng xylanh nâng hạ : 7kg

 Trọng lƣợng xylanh phanh : 3kg

 Trọng lƣợng cụm trƣợt : 2kg

38  Tính tốn chọn hành trình cho xylanh thanh ray

Hình 4.22: Sơ đồ thể hiện các lực tác dụng lúc xylanh nâng thanh ray lên − Trọng lực của vật đƣợc phân tích thành hai lực m.g.sinθ và m.g.cosθ. − Trọng lực của vật đƣợc phân tích thành hai lực m.g.sinθ và m.g.cosθ.

− Vì lực m.g.cosθ cân bằng với phản lực N nên muốn thanh trƣợt xuống thì: m x g x sinθ > f  m x g x sin > N ì à Trong đó:  m là khối lƣợng của vật  g là gia tốc trọng trƣờng (g = 10 m/s2)  µ là hệ số ma sát lăn ( rất nhỏ 0.001)  tanθ  θ > 10 Vậy chọn θ = 1,50

Để vật bắt đầu chuyển động ta cần thanh trƣợt đạt đƣợc độ cao:

h = = 6 sin(1,50) = 0.157 m

Tuy nhiên hệ thống khơng chỉ có lực ma sát lăn thuần túy mà cịn có lực ma sát trƣợt (mặc dù có bơi trơn)

 Do đó ta chọn hành trình làm việc của xylanh là 200 mm

 Tính lực nâng hạ cho xylanh nâng hạ thanh ray

39

Ta có đƣợc trung điểm của hệ:

Hình 4.23: Lƣợt đồ cơ cấu hình bình hành 1 Từ đó có đƣợc điểm đặt lực trên thanh ray trƣợt Từ đó có đƣợc điểm đặt lực trên thanh ray trƣợt

Hình 4.24: Lƣợt đồ cơ cấu di chuyển 1 Xét cân bằng hệ: Xét cân bằng hệ:

∑mA = 0

 - 3 × P1 × cosα – 5.65 × P2 × cosα + 6 × F × cosα = 0  F =

40

 Xét trƣờng hợp 2 : Cơ cấu nâng hạ đang hạ xuống

Ta có trung điểm của hệ:

Hình 4.25: Lƣợt đồ cơ cấu hình bình hành 2 Từ đó có đƣợc điểm đặt lực trên thanh ray trƣợt Từ đó có đƣợc điểm đặt lực trên thanh ray trƣợt

Hình 4.26: Lƣợt đồ cơ cấu di chuyển 2 Xét cân bằng hệ: Xét cân bằng hệ:

∑mA = 0

 - 3×P1×cosα – 5.65×P2×cosα + 6×F×cosα = 0  F =

 F = 495,3 N

 Từ 2 trƣờng hợp ta nhận thấy xylanh cần một lực tối thiểu để kéo cả hệ lên

là:

41  Tính tốn chọn đƣờng kính cho xylanh nâng thanh ray

Ta có các thơng số sau :

Áp suất khí nén trong xƣởng : P=5 bar= 500000 N/m2 Tải trọng đáp ứng : F= 495,3 N

Theo cơ sở lý thuyết ta có cơng thức tính đƣờng kính xylanh:

4. 4.495,3 35,52( ) . 3,14.500000 F mm P D    

Dựa vào các bảng thông số các xylanh ở trên ta có thể chọn xylanh có các thơng số phù hợp yêu cầu nhƣ sau:

Đƣờng kính xylanh : 40 mm Đƣờng kính cần xylanh : 16 mm Diện tích làm việc của xylanh : 1256 mm2 Diện tích làm việc khoang cần : 1065 mm2 Hành trình xylanh : 400 mm

 Tính tốn kích thƣớc thanh ray

Để chọn kích thƣớc thanh ray ta đƣa về bài tốn sức bền có hình nhƣ sau:

4.27: Sơ đồ phân bố lực và moment Ta có :

[] = 515 N/mm2 E = 2.104 KN/cm2 A = 3 m

42

Ta có : YA = YC =

2

F + q.a (N) Theo điều kiện bền ta có:

[z]max = x Max. max  

x M y J   Với : Mx Max = . 2 F qa a  với q = P/2a (N/m) ymax = 2 y Jx = . 3 ( 2r)( 2r)3 12 12 x y x y  Với : q = P/2a =

Khối lƣợng riêng của thép không gỉ (inox) = 7,93 gam/cm3 = 7930 kg/m3 Do phƣơng trình có nhiều biến số có liên quan với nhau nên muốn chọn thanh ray thích hợp ta phải dựa vào bảng thơng số sau:

Bảng 4.5 : Bảng quy cách sản phẩm thép khơng gỉ vng và chữ nhật => Từ đó ta chọn inox hộp 40 × 80 => Từ đó ta chọn inox hộp 40 × 80

43

4.3.9. Thiết kế cơ cấu phanh

Trong q trình vận hành có thời điểm thanh treo móc phải dừng ở giữa hai bàn do đó cần phải có cơ cấu phanh để giữ cụm dây điện đứng yên.

Hình 4.28: Mơ hình hệ thống

Cơ cấu phanh sử dụng lực ma sát giữa xylanh phanh và thanh ray để cản lực di chuyển hệ thống

a. Tính lực phanh

Để thắng đƣợc lực di chuyển thì độ lớn của lực ma sát đƣợc tính nhƣ sau.

fms > F

Hình 4.29: Sơ đồ lực phanh => fms > m.g.sin (1) Theo cơ sở lý thuyết ta lại có:

fms = µ.N (2) Với N : phản lực

µ : hệ số ma sát trƣợt

Hệ số ma sát trƣợt giữa thép và cao su bằng 0,7 Từ (1) (2) => µ.N > m.g.sin

44

Vậy lực phanh của hệ thống đƣợc tính theo cơng thức: Với g : gia tốc trọng trƣờng, lấy g =10 m/s2

m: tổng khối lƣợng vật chuyển với m = 40 kg : góc nghiêng thanh ray với = 1,50

=> N > 14,95 N

Do yêu cầu cần phải dừng lại ngay lập tức nên chọn lực phanh : N = 30 N

b.Tính tốn và chọn xylanh phanh

 Do có các thơng số nhƣ sau:

Áp suất khí nén trong xƣởng : P=5 bar= 500000 N/m2 Tải trọng đáp ứng : F= 30 N

Lƣu lƣợng khí nén : Q = 1,2-66 m3/min

 Theo cơ sở lý thuyết ta có cơng thức tính đƣờng kính xylanh nhƣ sau: D = = 8,74 mm

 Dựa vào kết quả trên và bảng thông số các xylanh ở mục 4.3.5 ta chọn đƣợc

xylanh nhƣ sau:

Đƣờng kính xylanh : 20 mm Đƣờng kính cần xylanh : 8 mm Diện tích làm việc của xylanh : 310 mm2 Diện tích làm việc khoang cần : 263 mm2 Hành trình xylanh : 50 mm

4.4. Các chi tiết trong hệ thống 4.4.1. Cơ cấu giữ vật 4.4.1. Cơ cấu giữ vật

Từ việc lựa chọn móc nhƣ trên, ta có móc đƣợc uốn từ mica 5mm nhƣ sau:

45

Lấy các móc gắn vào thanh treo móc đã đƣợc thiết kế, thuận lợi cho điều kiện làm việc bởi dây thun (tăng tính linh hoạt, dễ dàng móc vật cho ngƣời làm việc)

Hình 4.31: Thành treo móc

4.4.2. Cơ cấu nâng hạ

46

Hình 4.33: Cơ cấu dẫn hƣớng 2

Để tăng độ cứng vững và hạn chế bậc tự do, nhóm thiết kế thêm cơ cấu dẫn hƣớng nhƣ Hình 4.33: Cơ cấu dẫn hƣớng 1 và Hình 4.34: Cơ cấu dẫn hƣớng 2

 Lắp ráp 2 cơ cấu ta đƣợc cơ cấu dẫn hƣớng nhƣ sau:

Hình 4.34: Cơ cấu dẫn hƣớng

Từ các số liệu tính tốn cơ cấu hình bình hành nhƣ trên, nhóm thiết kế cơ cấu hình bình hành bằng inox hộp 10×40 nhƣ sau:

47

Hình 4.35: Thanh inox 10×40×350

Hình 4.36: Thanh inox 10×40×750 Lắp ráp các thanh inox lại ta có cơ cấu hình bình hành:

Hình 4.37 :Cơ cấu hình bình hành Hình 4.38 : Cơ cấu hình bình hành gắn xy lanh Lắp ráp các cơ cấu dẫn hƣớng, cơ cấu hình bình hành, xylanh ta đƣợc cơ cấu nâng hạ: Lắp ráp các cơ cấu dẫn hƣớng, cơ cấu hình bình hành, xylanh ta đƣợc cơ cấu nâng hạ:

48

Hình 4.39: Cơ cấu nâng hạ

Để cơ cấu chuyển động linh hoạt khi nâng hạ vật, nhóm thêm vào 2 khớp nối vào 2 đầu của cơ cấu nâng hạ.

49

4.4.3. Cơ cấu vận chuyển

Để tăng độ cứng vững và hạn chế bậc tự do, nhóm thiết kế thêm cơ cấu dẫn hƣớng

Hình 4.41: Cơ cấu dẫn hƣớng 1

Hình 4.42: Cơ cấu dẫn hƣớng 2 Lắp ráp 2 cơ cấu ta đƣợc cơ cấu dẫn hƣớng nhƣ sau: Lắp ráp 2 cơ cấu ta đƣợc cơ cấu dẫn hƣớng nhƣ sau:

50

Hình 4.43: Cơ cấu dẫn hƣớng Gắn xylanh vào cơ cấu dẫn hƣớng: Gắn xylanh vào cơ cấu dẫn hƣớng:

51

Để tạo tính linh hoạt cho cơ cấu, nhóm lắp thêm 2 khớp chử U vào 2 đầu: