2.3.3.1. Lựa chọn LED thu – phát hồng ngoại
Trên thị trường có nhiều loại cảm biến quang khác nhau và giá thành tương đối đắt, chẳng hạn như cảm biến quang thu - phát độc lập, cảm biến
quang thu - phát chung, cảm biến quang khuyếch đại... Do đó, để giảm chi phí cho sản phẩm thì việc lựa chọn loại cảm biến đòi hỏi phải đảm bảo các chỉ tiêu như giá thành phải rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng.
Hình 2.17: Cảm biến quang thu - phát độc lập
Hình 2.18: Cảm biến quang thu - phát chung
Để thỏa mãn các tiêu chí trên, chúng ta sử dụng cảm biến quang thu – phát độc lập với cấu tạo gồm 1 mạch điện và 2 đèn LED thu – phát tia hồng ngoại, giá thành rẻ nhưng hiệu quả tương đối cao.
Trong đó :
1-Mạch điện tử. 2- Đèn led phát. 3- Đèn led thu.
Hình 2.20: Cấu tạo của cảm biến quang.
2.3.3.2. Lựa chọn kích thước đường ống, các van điện từ
Vì hơi sau khi ra khỏi nồi hơi có nhiệt độ cao nên ta có thể lựa chọn ống nhựa dẻo chịu nhiệt, và đường kính với giá trị cụ thể là Φ = 10 (mm). Áp lực chịu đựng của đường ống tối thiểu là bằng áp lực hơi của nồi hơi đã lựa chọn.
Van điện từ ở đây ta cũng nên chọn van 3 cửa 2 vị trí, điện áp 220V hoặc 24V tùy theo mạch lập trình để điều khiển việc đóng mở van.
Hình 2.21: Van điện từ 3 cửa 2 vị trí
2.3.3.3. Cảm biến quang thiết kế
Cảm biến quang là một bảng mạch điện tử đã được lập trình theo một nguyên lý nhất định. Cấu tạo cảm biến này gồm một bảng mạch với các linh kiện điện tử phục vụ cho chức năng và nhiệm vụ cần thực hiện. Về cơ bản, cảm biến quang gồm các linh kiện điện tử sau: Bộ phát sáng, bộ thu sáng, bảng mạch, các điện trở.
- Bộ phát sáng.
Ngày nay cảm biến thường dùng các linh kiện bán dẫn, chủ yếu là các đèn LED (Light Emiting Điode)
Ánh sáng được phát ra theo xung, nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).
Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.
- Bộ thu sáng.
Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.
Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).
- Mạch tín hiệu ra.
Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu bán dẫn (NPN hoặc PNP).
Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.
2.3.4. Lắp đặt van hơi
Việc lắp đặt van hơi phải được thực hiện khi tất cả các cảm biến và bộ xử lý trung tâm được lắp đặt và thử nghiệm xong.
Việc lắp đặt van phải sao cho vị trí của van là thuận lợi nhất để dễ dàng bảo dưỡng sau này.
Van sau khi được lắp đặt xong phải đảm bảo độ kín khít sao cho là tốt nhất tránh hiện tượng rò rỉ trong lúc vận hành vì như thế sẽ không đảm bảo tuổi thọ của van.
Van phải được gá và kẹp chặt để tránh rung động trong lúc vận hành.
2.4. Nguyên lý hoạt động của động cơ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đầu tiên nồi hơi nhận nhiệt từ nguồn nhiệt từ bên ngoài sau đó hơi
được sinh ra từ nồi hơi với nhiệt độ hơi và áp suất phù hợp. Hơi nước mang thông số công tác này được đưa qua đường ống và qua bộ đồng hồ đo áp suất hơi lắp trên đường ống dẫn hơi trước khi được chia đến các xilanh. Lưu lượng hơi hay tốc độ của động cơ phụ thuộc vào độ mở của cửa van tổng. Sau khi hơi được đi qua van tổng nó tiếp tục được ống dẫn hơi mang hơi đi tới ngã tư ( cổng phân phối hơi tới các xy lanh ) qua ngã tư này hơi được đi qua bộ chia hơi đó là hệ thống van điện từ. Ở đây bộ van điện từ gồm 2 van điện từ 3 cửa và 2 vị trí được lắp phía trước cổng vào mỗi xilanh. Sự đóng mở van chia hơi tới mỗi xilanh được thực hiện một cách nhịp nhàng và đúng quy luật, là nhờ nó nhận được tín hiệu từ các cảm biến vị trí tác động vào bộ xử lý trung tâm ECU đã được lập trình sẵn. Sự đóng mở van phải đảm bảo nhẹ nhàng và sự rò gỉ hơi phải là nhỏ nhất có thể. Sau khi hơi qua bộ van điện, hơi được chia lần lượt tới 2 piston, tại đây hơi nước có áp lực cao sẽ giãn nở sinh công đẩy piston chuyển động tịnh tiến lên xuống trong xilanh. Sự chuyển động tịnh tiến này sẽ truyền lực tới cụm chi tiết biến đổi chuyển động gồm ổ đỡ cán piston -
tấm phẳng - cam lệch thành chuyển động quay. Momen xoắn sinh ra sẽ được truyền qua trục động cơ tới pully và được phân phối tới phụ tải.
- Quá trình diễn ra trong xilanh khi động cơ làm việc.
Hình 2.23 : Mô tả quá trình làm việc của pistoin trong xilanh
Giả sử áp suất ban đầu mà nồi hơi cấp cho piston là 100%, thì khi hơi bắt đầu cấp vào xylanh áp suất tăng dần tới 100% lúc đó tương ứng với đoạn EO trên hình thì tương ứng với cửa van mở hoàn toàn. Cửa van sẽ mở, mở cực đại khi ví trí piston là 35% vị trí hành trình tương ứng với đoạn OA trên hình tương ứng với quá trình đẳng áp. Khi vị trí của piston trên 35% hành trình thì van bắt đầu đóng từ từ tương ứng với quá trình giãn nở. Quá trình giãn nở tương ứng với đoạn AB trên hình và khi đó áp suất hơi giảm xuống còn 25% và khi đó van sẽ đóng ở vị trí piston là 85% ở vị trí này van sẽ đóng hoàn toàn. Sau khi van đã đóng hoàn toàn nhưng do quán tính piston vẫn dịch chuyển tới điểm chết trên. Khoảng hành trình mà piston dịch chuyển khoảng 15% từ 85% - 100%. Khi piston lên điểm chết trên và tiếp theo piston sẽ đi xuống thực hiện quá trình xả. Quá trình xả được biểu diễn trên hình là đoạn CD trên hình và hành trình của piston từ vị trí cực đại xuống còn 20% vị trí hành trình của piston. Quá trình xả của piston chỉ đến 20% vị trí của piston. Sau đó van xả và van nạp sẽ đóng hoàn toàn. Nhưng do quán tính piston sẽ đi
xuống và quá trình cuối tương ứng đoạn DE là quá trình nén. Quá trình nén khi vị trí của piston 20% xuống điểm chết dưới và áp suất nén do piston nén tăng khoảng 20% áp suất hơi. Tiếp theo là quá trình mở van cửa nạp và quá trình lại lặp lại tương tự như các quá trình trên như vậy piston đã thực hiện hết 1 chu trình hoạt động.
Hình 2.24: Sơ đồ chung toàn động cơ và các chi tiết
1- Puly 2- Ổ đỡ 3-Tam 4- Tấm phẳng 5- Trục piston 6-Xylanh 7-Tấm khung 8- Thanh giằng 9- Van điện từ
Chương 3
THIẾT KẾ CHẾ TẠO
Việc lựa chọn phương án thiết kế là một khâu quan trọng trong toàn bộ quá trình thiết kế và chế tạo. Trong khi lựa chọn phải dựa vào các chỉ tiêu sau:
Chỉ tiêu sử dụng: việc bố trí phải đảm bảo tính sử dụng lâu dài trong vận hành và ngoài ra còn có thể khắc phục sửa chữa khi động cơ gặp sự cố, hư hỏng và phải đảm bảo thời gian sửa chữa cho động cơ là nhanh nhất nếu có thể.
Chỉ tiêu kinh tế: Việc phân tích lựa chọn phải ưu tiên giá thành thiết bị làm mục tiêu. Phải chú ý đã có sẵn trên thị trường để giảm chí phí giá thành chế tạo và tiết kiệm thời gian.
Chỉ tiêu thẩm mĩ: Trong quá trình thiết kế tính toán phải có sự phối hợp giữa viêc lắp đặt thiết bị với tổng thể sao cho kết cấu động cơ nhỏ nhất nếu có thể và đảm bảo sao cho động cơ có tính thẩm mĩ nhất định. Và sửa chữa sao cho có thể thuận tiện không vướng mắc vào các chi tiết khác làm ảnh hưởng đến kết cấu chung, tổng thể của động cơ.
Phương án thiết kế là dựa trên cơ sở nghiên cứu và phát triển cũng như tận dụng các chi tiết có sẵn trên thị trường để từ đó chúng ta có thể chế tạo ra sản phẩm một cách nhanh nhất và tối ưu nhất.
3.1. Cơ sở và chọn phương án thiết kế
Xuất phát từ tình hình về an ninh năng lượng toàn cầu và vấn đề nhiệt độ trái đất nóng lên từng ngày mà nguyên nhân chủ yếu là do nguồn khí thải từ động cơ thải ra làm ô nhiễm môi trường. Nên việc chế tạo ra động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo đang là vấn đề cần được quan tâm và chú trọng phát triển.
Lĩnh vực ứng dụng:
Xuất phát từ năng lượng thải dư thừa từ động cơ diesel tàu thủy và năng lượng mặt trời phong phú ở Việt Nam thì việc chế tạo ra động cơ hơi nước là rất phù hợp cho Việt Nam cũng như các nước trên thế giới.
3.2. Chọn năng suất làm việc cho động cơ - Đối với trên tàu thủy - Đối với trên tàu thủy
Xuất phát từ động cơ chính tàu thủy hoạt động 24/24h nên năng lượng dư thừa là rất nhiều vì thế động cơ piston hơi nước có thể hoạt động 24/24h tùy thuộc vào mục đích sử dụng trên tàu.
- Đối với trên đất liền
Thời gian hoạt động của động cơ là ban ngày do động cơ sử dụng năng lượng mặt trời để sinh nhiệt nên thời gian hoạt động của động cơ có thể là 8h mỗi ngày. Nếu khoảng thời gian không có ánh nắng mặt trời thì khi đó có thể kết hợp nguồn năng lượng khác như khí biogas, và có ở khu vực chăn nuôi.
3.3. Thiết kế chế tạo trục
Trục là chi tiết máy dùng để đỡ các chi tiết máy quay hoặc truyền mômen xoắn từ chi tiết máy lắp lên trên đó đến các chi tiết khác hoặc làm cả hai nhiệm vụ trên. Trục truyền luôn quay có thể tiếp nhận cả momen xoắn và momen uốn.
Trục sau khi được chế tạo xong phải đảm bảo về mặt kích thước hình dáng độ cứng vững.
Đảm bảo độ bền, độ tin cậy và tính thẩm mĩ, tính hợp lý cao.
3.3.1. Tính toán, thiết kế - Chọn vật liệu chế tạo trục - Chọn vật liệu chế tạo trục
Dựa vào điều kiện làm việc của trục ta có thể chọn thép các bon C45 để chế tạo trục, thép C45 sau khi thường hóa có đặc tính kĩ thuật như sau : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Giới hạn bền δb=600 Mpa . + Giới hạn chảy δch=360 Mpa . + Độ cứng của vật liệu HB = 210 .
+ Ứng suất xoắn cho phép [ ] 2 10..13Nmm
τ = .
- Xác định sơ bộ đường kính trục theo [3.1 trang 16] ****[4]
[ ]
3 z / 0.2.
d≥ M τ
Trong đó :
- Mz: momen xoắn trên trục (N.mm) .
-.[ ]τ : ứng suất xoắn cho phép trên trục thép C45 (Mpa) . - .[ ]τ = 10..13 Mpa .
327648 / 0, 2.10
d≥ =23.59 (mm)
Vậy ta có thể chọn đường kính sơ bộ d=24 mm.
- Tính gần đúng đường kính trục tải
+ Khoảng cách từ puly tới thành bậc 60mm + Khoảng cách bậc là 20mm
+ Khoảng cách từ thành bậc tới mặt ngoài của ổ là 45 mm + Chiều dài đoạn trục để lắp cam là 20 mm
+ Các khoảng cách trên được tính toán lựa chọn cho phù hợp với kích thước của các chi tiết được lắp ghép trên trục tải động cơ.
- Tính gần đúng trường hợp trường hợp chịu lực của trục
Momen uốn lớn nhất = -800.00 N.mm tại 80.000 mm. Xác định moment tương đương
2 2
d 0, 75
t u x
M = M + M (N.mm)
Mx: Moment xoắn max trên trục tải
2 . max tb X D P M = (N.mm) =2300.24 27648 2 = (N.mm) 2 800 0,75.27648 td M = + =23957,23(N.mm)
Công thức tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm
[ ] 3 . 1 , 0 σ td M d ≥ (mm) Theo [3.4 trang 17]****[4] Trong đó:
- [σ]: Ứng suất cho phép của vật liệu trục. - Với thép C45.
- [σ] = 60 N/mm2
d≥ 3 23957.23 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
0,1.60 ≥19.26 (mm)
Vậy ta có thể chọn đường kính chuẩn của trục là d=24mm để dự trữ thừa bền.
Từ đường kính của trục ta tiến hành hạ bậc trục cho phù hợp với kích thước của trục.
Hình 3.2: Bản vẽ kết cấu của trục
Kết cấu của trục được hạ theo như bản vẽ và kích thước cũng được phân bố theo bản vẽ.
3.3.2 Chế tạo trục - Yêu cầu kĩ thuật - Yêu cầu kĩ thuật
+ Kích thước đường kính các cổ lắp ghép có yêu cầu cấp chính xác từ 7 đến 10, trong một số trường hợp yêu cầu chính xác đến cấp 5.
+ Độ chính xác về hình dạng hình học như độ côn, độ ovan của trục phải nằm trong giới hạn 0,25÷0,5 dung sai đường kính cổ trục.
+ Bảo đảm dung sai chiều dài của mỗi bậc trục nằm trong giới hạn 0,05÷0,2 mm.
+ Độ đảo hướng tâm của các mặt lắp ghép so với bề mặt chuẩn là 10÷20 µm.
+ Độ cong vênh cho phép 0,03 đến 0,05 mm/m.
+ Độ nhám bề mặt các cổ trục lắp ghép đạt Ra = 0,25 đến 0,16, của các mặt đầu Rz = 40 đến 20, của các bề mặt khác Rz = 80 đến 40.
+ Ngoài ra còn yêu cầu về độ cân bằng tĩnh và cân bằng động đối với trục làm việc với tốc độ cao.
- Xác định dạng sản xuất
Dạng sản xuất ở đây là dạng sản xuất đơn chiếc.
- Vật liệu và phương pháp chế tạo phôi
+ Vật liệu chế tạo phôi: Vật liệu chế tạo các chi tiết dạng trục bao gồm nhiều loại vật liệu như thép cácbon như C35, C40, C5. Thép hợp kim của crom như 20Cr,40Cr… Những vật liệu này có tính chống mài mòn cao và giảm rung tốt.
+ Dạng phôi: Phôi được chọn để gia công, chế tạo truc dạng bậc có đường kính chênh lệch nhau không nhiều lắm thường chọn là phôi cán nóng hoặc là phôi đúc.
- Tính công nghệ trong kết cấu
+ Các bề mặt trên trục có thể gia công được bằng các loại dao thông thường. + Đường kính các cổ trục nên giảm dần về hai đầu, giữa hai bậc trục cần có góc lượn để giảm tập trung ứng suất.
+ Chú ý việc ghi chuỗi kích thước, chọn khâu khép kín là khâu không quan trọng trong lắp ghép để dồn sai lệch về cho khâu đó.
- Quy trình chế tạo trục
Chuẩn định vị gia công chi tiết trục.
+ Các chi tiết trục yêu cầu về độ đồng tâm của các cổ trục là rất quan trọng. Để đảm bảo yêu cầu này khi gia công cần phải có chuẩn tinh thống nhất.
+ Chuẩn tinh thống nhất khi gia công chi tiết trục là hai lỗ tâm ở hai