Đồ án tốt nghiệp loại giỏi sinh viên cơ điện tử trường đại học bách khoa hà nội Chương 1: Tổng quan thiết bị thực nghiệm nhiệt ổ trục chính máy phay đứng. Chương 2: Tính toán, thiết kế kết cấu gia tải.Chương 3:Mô hình hóa và phân tích động lực học cho kết cấu gia tải.( chỉ ra đượccác ứng xử động lực học) Chương 4: Tích hợp hệ thống, xây dựng hệ thống điều khiển và thực nghiệm kếtquả.
TỔNG QUAN THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM NHIỆT Ổ TRỤC CHÍNH MÁY PHAY ĐỨNG
Lịch sử phát triển và tầm quan trọng của máy CNC
Lịch sử phát triển máy CNC
CNC, viết tắt của Computer Numerical Control, là công nghệ điều khiển máy móc bằng máy tính nhằm sản xuất các bộ phận phức tạp với tính lặp lại cao Quá trình này sử dụng các chương trình được viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường được gọi là mã G.
Máy công cụ cắt gọt kim loại là thiết bị quan trọng trong các nhà máy và phân xưởng cơ khí, được sử dụng để chế tạo chi tiết máy móc, khí cụ và sản phẩm phục vụ sản xuất cũng như đời sống Với lịch sử phát triển lâu dài, máy công cụ ngày càng được cải tiến về cơ khí hóa và tự động hóa Hiện nay, sự đa dạng và hiện đại hóa của máy công cụ gia tăng nhờ vào những thành tựu mới nhất trong công nghệ thông tin, từ đó nâng cao năng suất lao động và góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế đất nước, đáp ứng nhu cầu xã hội.
Có thể tóm tắt quá trình phát triển của máy công cụ trên thế giới theo sơ đồ sau :
Lịch sử hình thành và phát triển máy công cụ Phân tích sự hình thành và phát triển tham khảo tài liệu [3]
→ Máy tự động cứng dùng cam
→ Dây chuyền tự động cứng
→1950 máy công cụ điều khiển theo chương trình số (NC-M)
→ 1970 máy công cụ tự động điều khiển theo chương trình số có sự trợ giúp của máy tính
→ Trung tâm gia công CNC
→ Dây chuyền sản xuất linh hoạt và tích hợp (FMS & CIM )
(Dùng cho dạng sản xuất loạt nhỏ)
- Năm 1808, Joseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển tự động các máy dệt
- Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MIT(Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân
- Năm 1946, tiến sĩ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ
- Năm 1954, Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử
- Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT
- Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng
- Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơ le, đèn điện từ
- Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer)
- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn
- Năm 1972, hệ điều khiển NC (Numerical Control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ
- Năm 1979, hình thành khối liên hòa CAD/CAM – CNC
Vào năm 1980, các xưởng sản xuất nhỏ đã bắt đầu trang bị máy CNC, dẫn đến sự phổ biến ngày càng tăng của công nghệ này Các nhà sản xuất nhanh chóng phát triển những máy CNC với giá thành hợp lý, cho phép gia công đa dạng sản phẩm từ đồ trang sức, bảng mạch in đến các tác phẩm mỹ thuật.
- Cuối năm 1980, Ron Aarns nghĩ đến phát triển gia công cao tốc (High speed machining)
Từ năm 1980 đến nay, máy CNC đã phát triển nhanh chóng với những cải tiến vượt trội về tốc độ cắt và tốc độ quay của trục chính, cho phép gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy với số lần gá đặt tối thiểu Đặc biệt, máy CNC có khả năng gia công các chi tiết với bề mặt phức tạp, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Tầm quan trọng của máy CNC
Trước đây, máy cắt kim loại truyền thống chỉ có khả năng thực hiện các đường cắt theo quy luật như tròn đều, hình elip, đường thẳng và đường cong Tuy nhiên, việc cắt kim loại theo những đường cong phức tạp, như đường gấp khúc trong không gian 2D hoặc 3D, gặp nhiều khó khăn Để tạo ra các biên dạng này, cần sử dụng các thiết bị phức tạp như cam, dưỡng và cơ cấu thủy lực.
Ngày nay, máy CNC đã ra đời để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong sản xuất Công nghệ CNC mang lại một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa, giúp giải quyết hầu hết những vấn đề khó khăn trước đây.
Để cắt theo hình dáng tròn, cong, đường gấp khúc hoặc bất kỳ hình dạng nào, bước đầu tiên là lập trình máy Việc lập trình này khá đơn giản; bạn chỉ cần sử dụng máy tính để vẽ hình cần cắt và sau đó ra các lệnh để máy thực hiện cắt theo yêu cầu Đối với việc vẽ trên máy tính, có thể sử dụng các phần mềm phổ biến như AutoCAD hoặc corelDRAW.
Máy CNC đóng vai trò quan trọng không chỉ trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như may mặc, giày dép và điện tử Việc sử dụng máy cắt CNC giúp nâng cao mức độ tự động hóa trong doanh nghiệp, giảm thiểu sự can thiệp của người vận hành, thậm chí có thể hoạt động hoàn toàn tự động.
Máy cắt CNC thế hệ mới mang lại khả năng gia công sản phẩm với độ chính xác và phức tạp cao, vượt trội hơn so với máy công cụ truyền thống Sau khi chương trình gia công được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy cắt CNC sẽ sản xuất hàng loạt sản phẩm với chất lượng đồng nhất, điều này rất quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
Kết cấu và chế độ làm việc cụm trục chính máy phay đứng CNC
Công dụng và tầm quan trọng của cụm trục chính
Cụm trục chính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra chuyển động quay tròn chính xác cho dụng cụ như máy phay và phôi trong máy tiện Độ chính xác gia công trên máy công cụ, đặc biệt là máy CNC, phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động, sự ổn định, cứng vững và khả năng chống rung của trục chính Trục chính không chỉ cung cấp chuyển động cắt cho dao mà còn là phần thiết yếu trong chuỗi truyền lực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc chi tiết Tùy thuộc vào loại máy, trục chính sẽ có những đặc tính khác nhau; trong máy tiện, nó mang chi tiết và cấp chuyển động cắt, trong khi ở máy khoan và phay, trục chính quay dao được lắp trên nó để tạo ra tốc độ cắt cần thiết.
Trục chính đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp chuyển động cắt cho các chương trình gia công trên máy CNC, bao gồm phay, khoan và taro Tầm quan trọng của nó không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn quyết định độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết gia công.
Để nâng cao năng suất gia công, độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết, việc điều chỉnh các thông số chế độ cắt như vận tốc cắt (v), thời gian cắt (t) và chiều sâu cắt (s) là rất quan trọng Trong đó, vận tốc cắt đóng vai trò quyết định, vì khi tăng tốc độ cắt, tốc độ vòng quay trục chính của máy cũng tăng theo, dẫn đến sự phát triển của các máy gia công cao tốc và trung tâm gia công cao tốc.
Việc tăng tốc độ vòng quay của trục chính có thể gây ra nhiều vấn đề, trong đó nhiệt sinh ra do ma sát là mối quan tâm hàng đầu Nhiệt độ cao có thể dẫn đến hiện tượng cong vênh và biến dạng không đều của trục, gây mất cân bằng và rung động, ảnh hưởng đến độ cứng vững và chất lượng bề mặt chi tiết Để khắc phục tình trạng này, việc bôi trơn và làm mát cho cụm trục chính là điều cần thiết.
Kết cấu cụm trục chính máy phay CNC đứng
Cụm trục chính là thành phần quan trọng đảm bảo chuyển động quay tròn chính xác của dụng cụ và phôi, với độ chính xác gia công phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động, độ cứng vững và độ ổn định chống rung Yêu cầu về độ chính xác quay tròn được thể hiện qua độ đảo trên đầu mút của trục chính, cùng với độ bền cao để chịu tải trọng biến đổi Độ cứng vững của cụm trục chính, được xác định bởi độ mềm dẻo của trục và ổ đỡ, ảnh hưởng đến lượng di chuyển đàn hồi tại đầu mút Cuối cùng, độ ổn định rung của cụm trục chính có tác động lớn đến độ ổn định của toàn bộ máy, trong khi tính năng giảm chấn của ổ đỡ và đặc tính tầng biên của cụm trục chính quyết định độ nhẵn bóng bề mặt và chế độ gia công cho phép.
Yêu cầu về độ cứng vững của trục chính là rất quan trọng cho các máy gia công tinh và cụm trục chính quay cao tốc, bao gồm cả quá trình chế tạo và lắp ghép cụm trục chính cùng với ổ đỡ.
Tuổi thọ của trục chính và ổ đỡ (khả năng duy trì tốc độ chính xác quay tròn ban đầu) Độ tỏa nhiệt và biến dạng ít
Kẹp dụng cụ gá lắp nhanh, tin cậy, dễ tự động hóa đảm bảo định tâm chính xác và quay tròn chính xác
Như đối với máy Bridgeport [4], trục chính yêu cầu: Độ cứng từ 50-60 HRC
Dung sai độ tròn trên các tiết diện trục không lớn hơn 0,01mm
Dung sai độ trụ trên các mặt cắt của tiết diện trục không lớn hơn 0,01mm
Dung sai về độ đảo mặt đầu tại vị trí lắp ổ lắn 𝑈 ư , do đó phần ứng sẽ đổi chiều so với trạng thái động cơ
𝑅 ư𝑡 𝑣 𝑠 và Fv >> Fs
Một cách gần đúng, để đơn giản trong tính toán ta có thể xem như
Công suất cắt (Pc) và công suất chạy không (Pck) của động cơ được xác định theo công thức 𝑃𝑐 = 𝑃𝑣 = 𝐹𝑣 𝑣 𝐾 Khi động cơ hoạt động mà không thực hiện cắt gọt, công suất đo được sẽ là công suất tổn thất (Pck) Ngược lại, khi thực hiện cắt gọt, công suất đo được từ động cơ sẽ bao gồm cả công suất cắt (Pc) và công suất chạy không (Pck), phản ánh hiệu suất hoạt động của máy.
Do vậy từ việc đo công suất ta có: 𝐹 𝑣 = 𝑃 đ𝑐 −𝑃 𝑐𝑘
𝑣.𝐾 Để tính được lực cắt lớn nhất của máy thực nghiệm nhiệt ổ trục chính ta chọn các thông số sau đây:
471 = 192 (N) Vậy phạm vi lực cho phép của gia tải là :
Tính chọn các chi tiết tiêu chuẩn
Hình 2-7 Sơ đồ tính chọn chi tiết tiêu chuẩn cho hệ thống gia tải
Tính chọn bộ truyền pulley – đai răng
Đai răng, giống như đai dẹt, nhưng có bề mặt trong với các gờ hình thang, tròn hoặc cong, cho phép sự ăn khớp hiệu quả với các rãnh trên bánh đai Sự kết hợp này tạo ra bộ truyền làm việc hiệu quả, nhờ vào sự tương tác giữa đai và các răng của bánh đai.
• Xác định modun và chiều rộng đai
- Modun được xác định theo công thức: m = 35.√ P 1 n 1
P 1 – công suất trên bánh đai chủ động (trục chính) , P 1 = 3,3 kw n 1 số vòng quay của bánh đai chủ động (trục chính), n 1 = 12000 (vòng/phút) m = 35.√ 3,3
Bảng 2-2 Modun và các thông số của pulley- đai răng
Dựa vào bảng 2-3 chọn modun = 3, p = 9,42mm
Chọn pulley và đai có bước răng 9,42 mm
Chiều rộng đai răng: b = 𝜓 đ m , Chọn b % mm
• Xác định thông số của bộ truyền:
- Chọn số răng z 1 = 20 răng => z 2 = 40 răng
- Khoảng cách trục : a min = 0.5m.(z 1 + z 2 )+2m = 96mm a max =2m.(z 1 + z 2 ) = 360 mm
Chọn z đ theo dãy tiêu chuẩn là 90 răng (Cơ sở thiết kế -PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc)
- Đường kính vòng chia của các bánh đai d 1 = m z 1 = 3.20 = 60 (mm) d 2 = m z 2 = 3.40 = 120 (mm)
- Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai: z 0 = z 1 α 1 /360 0
+ Trong đó góc ôm trên bánh đai α 1 = 180 0 − [ m(z 2 −z 1 ) a ] 57,3 0
238 ] 57,3 0 = 170,37 0 z 0 = z 1 α 1 /360 0 = 30 170,37 0 / 360 0 = 14 (răng) > 6 => số răng ăn khớp đạt chuẩn
• Kiểm nghiệm đai của lực vòng riêng
Lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện : q = F t K d b + q m v 2 ≤ [q]
Trong đó: v – vận tốc vòng, v = n.π.d
K d - hệ số tải trọng động, tra bảng 2.4 được K d = 1,1 q m - khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1mm, Tra bảng 2.5 được q m = 0,004; [q 0 ] = 10 N/mm
- Dựa vào bảng 2.5 ta tính được [q] = [q 0 ] C z C u = 10.1.0,9 =9 q = 83,29 1,1
35 Đặc tính tải trọng Loại máy Hệ số kđ
Tải trọng tĩnh, tải trọng mở máy đến 120% tải trọng danh nghĩa
Máy phát điện, quạt, máy nén khí, bơm li tâm, băng tải, máy khoan, máy mài
Tải trọng dao động nhẹ, tải trọng mở máy đến
Máy bơm máy nén khí kiểu pittong có
3 xi lanh trở lên, xích tải, máy phay, máy tiện rơ vôn ve
Tải trọng dao động mạnh, tải trọng mở máy đến
Thiết bị dẫn động quay 2 chiều bao gồm máy bào, máy xọc, máy bơm hoặc máy nén khí với 1 hoặc 2 xi lanh, cùng với vít vận chuyển và máng cào Ngoài ra, máy ép kiểu vít và máy ép lệch tâm có vô lăng nặng, máy kéo sợ, và máy dệt cũng là những thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp.
Tải trọng va đập và rất không ổn định, tải trọng mở máy đến 300% tải trọng danh nghĩa
Máy ép kiểu vít và máy ép lệch tâm sở hữu vô lăng nhẹ, cung cấp hiệu suất cao trong quá trình hoạt động Ngoài ra, các thiết bị như máy nghiền đá và máy nghiền quặng đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp khai thác Các máy cắt tấm và máy búa cũng góp phần nâng cao năng suất sản xuất Máy mài bi, cần trục, và máy xúc đất là những thiết bị không thể thiếu, hỗ trợ hiệu quả trong các công trình xây dựng và khai thác.
Bảng 2-4 Hệ số tính lực vòng riêng
Xác định lực căng ban đầu tác dụng lên trục
- Lực căng ban đầu được xác định theo công thức:
- Lực do bộ truyền đai tác dụng lên trục L
Sau khi thực hiện thí nghiệm với tốc độ 6000 vòng/phút và sử dụng bộ truyền pulley đai răng, công suất của trục chính đạt 2,8 kW Từ kết quả này, nhóm đồ án đã tính toán và xác định công suất thực tế của trục chính là 2,5 kW.
Momen cản lớn nhất mà bộ truyền( Lực căng đai, trọng lượng pulley, momen ma sát ) tác động lên trục chính là :
Tính chọn ổ bi đỡ-chặn
Hình 2-9 Sơ đồ tính toán chọn ổ bi
Hình 2-10 Sơ đồ lắp ổ bi
2.3.2.1 Tính chọn ổ bi cho pulley chủ động
Thông số đầu vào : 𝐹 𝑎 = 192 N; 𝐹 𝑟 = 100N; d = 30 mm
• CHọn ổ bi có kích thước đường kính vòng trong là 30 mm
- Ta chọn loại ổ bi đỡ chặn 7906C của hãng NTN
Tải trọng danh nghĩa của vòng bi là 𝐶 𝑜𝑟 = 5750 N
Do đó, tải trọng động tương đương P bằng
= 321 N < 𝐶 𝑟 = 8350 N => Đảm bảo khả năng tải động
𝐿 ℎ = 500 𝑓 ℎ 3 = 500.14,9 3 = 1653975 giờ > 20000 giờ => Đảm bảo tuổi thọ
2.3.2.2 Tính chọn ổ bi cho trục động cơ
- Lực dọc trục Fa tác dụng lên ổ bi chính là trọng lượng của pulley nên trị số rất nhỏ
- Nên nhóm đồ án chọn ổ bi phù hợp với kích thước trục động cơ
• Chọn 2 ổ bi đỡ chặn 7204B-NTN lắp đối lưng vào nhau
Hình 2-12 Thông số vòng bi 7204B-NTN
Từ bảng thông số cắt được chọn và sau khi tính toán đã rút ra được các thông số yêu cầu đối với nguồn động lực và trục chính:
Tốc độ trục chính n ( vòng/phút) 12000
Bảng 2-5 Thông số yêu cầu đối với trục chính
Hình 2-13 Sơ đồ tính chọn xi lanh
• Chọn dòng xi lanh SDA hãng AIRTAC
- Đường kính ống xi lanh
- Ta chọn xi lanh SDA 20x20:
+ Đường kính trong pitong 20mm
Hình 2-14 Thông số kích thước xi lanh SDA
• Kiểm nghiệm lại lực của xi lanh
- Lực đẩy danh nghĩa của xi lanh :
Động cơ khí nén là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ khí nén, thường được tạo ra từ không khí thiên nhiên nén ở áp suất cao từ 3.000 đến 3.600 psi, thành cơ năng để quay rotor Việc hiểu rõ đặc tính và ứng dụng của động cơ khí nén sẽ giúp chúng ta lựa chọn sản phẩm phù hợp cho nhu cầu sử dụng.
Luồng khí nén được cung cấp từ nguồn khí nén, sau đó đi vào động cơ khí nén, nơi khí nén giãn nở và chuyển đổi nội năng thành cơ năng Quá trình này làm giảm áp suất, nhiệt độ và vận tốc của không khí, đồng thời tạo ra năng lượng cơ học dưới dạng moment, giúp quay trục cánh khuấy của động cơ Đặc điểm nổi bật của động cơ khí nén là khả năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả và cung cấp lực quay mạnh mẽ.
Động cơ sử dụng khí nén thiên nhiên có nguồn nguyên liệu đầu vào vô hạn và sẵn có, giúp tiết kiệm năng lượng khởi động Đây là loại động cơ thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ thiên nhiên.
Động cơ này sở hữu công suất cực mạnh trong một kích thước nhỏ gọn, với chỉ số công suất riêng (HP/kg) lớn gấp hàng chục lần so với động cơ diesel Chỉ với khoảng 5,5kg, động cơ có thể đạt công suất khoảng 8 mã lực (HP) hoặc hơn.
Động cơ khí nén thường có thiết kế nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, giúp dễ dàng trong việc vận chuyển và sử dụng Vì lý do này, các máy khuấy sơn và máy khuấy hóa chất cầm tay từ các thương hiệu nổi tiếng như Shinko, Prona, Super Man và Tonson thường sử dụng loại động cơ này.
Khí nén thành phần là khí thiên nhiên, có đặc tính khó cháy và nhẹ hơn không khí, do đó khi thoát ra ngoài, nó sẽ nhanh chóng phân tán và bay lên cao Điều này khiến cho máy khuấy sử dụng động cơ khí nén trở nên an toàn tuyệt đối với nguy cơ cháy nổ, giúp bạn yên tâm mà không cần lo lắng về các biện pháp phòng chống cháy nổ như khi sử dụng các thiết bị khác.
Hầu hết máy khuấy sơn, máy khuấy hóa chất và máy khuấy trong phòng thí nghiệm sử dụng động cơ khí nén, nhờ vào tính an toàn cao trong việc phòng ngừa cháy nổ.
Khả năng điều chỉnh vận tốc quay của động cơ khí nén phụ thuộc vào vận tốc dòng khí nén, khác với động cơ điện lớn cần hộp giảm tốc hoặc biến tần để điều chỉnh công suất Động cơ khí nén cho phép tùy chỉnh dòng khí để thay đổi công suất phù hợp với yêu cầu sử dụng, giúp tiết kiệm chi phí và tăng tiện lợi Đặc biệt, khí nén duy trì tải trọng từ khi khởi động đến khi động cơ dừng hoàn toàn, không ảnh hưởng đến khả năng tải trọng của động cơ.
Động cơ khí nén có ưu điểm nổi bật về tính vệ sinh, nhờ vào việc khí nén được lọc sạch bụi bẩn và tạp chất trước khi sử dụng, giúp bảo vệ môi trường và nâng cao tuổi thọ của động cơ Thiết kế nhỏ gọn và giá thành hợp lý của động cơ khí nén cùng với công suất lớn so với trọng lượng nhẹ, mang lại hiệu quả cao Hơn nữa, việc sử dụng khí nén làm nguồn năng lượng giúp động cơ an toàn hơn với nguy cơ cháy nổ, đồng thời dễ dàng trong việc sử dụng, bảo trì và tiết kiệm chi phí vận hành.
Hình 2-16 Sơ đồ chọn động cơ khí nén
Sau khi phân tích bảng thông số cắt và thực hiện tính toán cho bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:2, các thông số yêu cầu đối với nguồn động cơ đã được xác định.
Tốc độ động cơ khí nén 𝑛 𝑑𝑐 (v/p) 6000
➢ Dựa vào thông số yêu cầu đối với động cơ khí nén ta chọn được động cơ khí nén PJ1UP Đối tượng
Hình ảnh Động cơ khí nén PJ1UP TAIWAN 0,33 10000 0,65
Bảng 2-6 Thông số động cơ
Thiết kế hệ thống khí nén
Hình 2-17 Sơ đồ khí nén trong Automation Studio
Hình 2-18 Sơ đồ tính chọn các phần tử khí nén
Giới thiệu các phần tử của hệ thống
Hệ thống cung cấp khí nén bao gồm một máy nén khí, bộ lọc và van điều chỉnh áp suất, trong đó máy nén khí đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng khí nén cho toàn bộ hệ thống.
Máy nén khí là thiết bị chuyển đổi năng lượng, biến cơ năng thành động năng và thế năng dưới dạng áp suất khí Thiết bị này nén khí với áp suất nhất định vào bình chứa, cung cấp khí cho hệ thống máy CNC Khi áp suất giảm, máy tự động hoạt động để duy trì áp suất ổn định cho các cơ cấu làm việc Có nhiều loại máy nén khí, bao gồm máy nén kiểu cánh gạt, cánh dẫn và pít tông, trong đó máy nén khí kiểu pít tông là loại phổ biến nhất.
Hình 2-19 Cấu tạo máy nén khí pit tong
Máy nén khí pít tông hoạt động dựa trên nguyên lý thể tích, với một hoặc nhiều cụm xy lanh pít tông Pít tông di chuyển qua lại trong xy lanh, nơi có đĩa van đẩy ở đỉnh Thể tích quét của pít tông được xác định giữa hai điểm chết của pít tông Khi pít tông di chuyển xa đĩa, quá trình hút và nén khí diễn ra Thể tích hút lý thuyết của máy nén được tính bằng thể tích quét của một pít tông nhân với số pít tông và số vòng quay trong một phút, sau đó nhân với hệ số cấp của máy nén Áp suất khí vào máy nén gọi là áp suất hút, trong khi áp suất khí ra gọi là áp suất đẩy Khi khí bị nén, áp suất tăng, thể tích giảm và nhiệt độ tăng, vì vậy cần sử dụng không khí hoặc nước để làm mát máy nén.
46 b Van định áp và lọc khí
Hình 2-21 Van định áp và lọc khí
Khí nén từ máy nén khí thường chứa nhiều chất bẩn như bụi và độ ẩm, có thể gây hại cho hệ thống Trong quá trình nén, nhiệt độ tăng cao dẫn đến oxi hóa các thành phần này, làm tăng nguy cơ ăn mòn và gỉ sét trong ống dẫn khí và các bộ phận của hệ thống Do đó, việc xử lý khí nén trước khi vào vùng bôi trơn là rất cần thiết Hệ thống bôi trơn khí dầu cần được trang bị bộ lọc khí để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
Bộ lọc khí này gồm 2 phần chính đó là van lọc và van điều chỉnh áp suất
Van lọc được cấu tạo từ các phần tử lọc xốp, có chức năng tách lọc tạp chất và hơi nước khỏi khí nén Đặc biệt, với lọc khí đôi, van còn được trang bị bộ phận van tra dầu, giúp giảm ma sát, ngăn ngừa sự ăn mòn và gỉ sét của các thành phần trong hệ thống điều khiển khí nén.
Hình 2-22 Bộ lọc hơi nước
Nguyên lý hoạt động của van lọc dựa trên khí nén tạo ra chuyển động xoáy, cho phép không khí đi qua phần tử lọc với kích thước lỗ từ 5μm đến 70μm tùy theo yêu cầu Hơi nước sẽ bị giữ lại bởi phần tử lọc, rơi xuống cốc lọc và được xả ra ngoài.
Bộ lọc tách nước khí nén là thiết bị quan trọng được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực như phòng khám nha khoa, phun sơn, tiệm sửa chữa xe máy, gara ô tô, dây chuyền sản xuất lắp ráp và khu công nghiệp Thiết bị này giúp loại bỏ nước và tạp chất trong khí nén, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho các ứng dụng sản xuất và dân dụng.
Van chỉnh áp suất có nhiệm vụ duy trì áp suất ổn định, bất chấp sự biến đổi bất thường của tải trọng làm việc ở đầu ra hoặc sự dao động áp suất ở đầu vào van.
Van điều chỉnh áp suất hoạt động bằng cách điều chỉnh nắp chụp và ốc điều chỉnh, làm cho lò xo tác động lên màng, từ đó thay đổi vị trí của màng Khi áp suất ở đường ra tăng so với mức đã được điều chỉnh, khí nén sẽ đi qua lỗ thông và tác động lên màng, dẫn đến sự thay đổi vị trí của kim van, cho phép khí nén xả ra ngoài Vị trí kim van sẽ trở về ban đầu khi áp suất ở đường ra giảm xuống bằng mức đã được điều chỉnh.
Ống dẫn khí nén là thành phần thiết yếu trong hệ thống cung cấp khí nén, chịu trách nhiệm dẫn khí từ máy nén khí đến các thiết bị sử dụng khí nén Chúng được sử dụng rộng rãi trong mọi loại hình nhà máy sản xuất, từ quy mô nhỏ đến lớn Khí nén phục vụ cho nhiều ứng dụng, bao gồm van điện từ, xylanh khí nén, van đảo chiều, hệ thống làm mát và các thiết bị như súng vặn bulong và máy mài khí nén Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần sử dụng các loại ống dẫn khí nén phù hợp.
Có nhiều loại ống khí nén được sản xuất từ các vật liệu như Polyurethane, PVC, cao su, silicon và Teflon Mỗi loại vật liệu và cấu trúc của ống khí nén sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Đường kính ống dẫn khí nén cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu về tổn thất áp suất, không vượt quá 0,1 bar từ nguồn đến nơi tiêu thụ Việc chọn loại ống dẫn phù hợp phải dựa trên các tiêu chí lựa chọn cụ thể.
- Tổn thất áp suất cho phép
- Số điểm cần kiểm tra lưu lượng trên đường dẫn
Tính toán và chọn các phần tử trong hệ thống thủy khí
Để đảm bảo hệ thống thủy lực hoạt động bình thường và tránh tình trạng áp suất quá cao trong ống dẫn, nhóm đã chọn van an toàn với áp suất làm việc lớn nhất là 32 bar Lựa chọn này dựa trên yêu cầu áp suất làm việc của thủy lực, cũng như các tổn hao do chiều dài ống dẫn và uốn ống.
2.4.3.2 Tính toán và chọn van điều áp và lọc khí Để có thể điều chỉnh được gia tải, nhóm đồ án đã sử dụng van điều áp điều chỉnh bằng tay và lọc khí.Lọc khí để đảm bảo khí nén đi vào hệ thống được sạch, đồng thời ở đầu ra khí của động cơ lọc khí còn có tác dụng giảm âm
Mã van: 231-900-028.U1 Áp suất đầu vào: 0 – 16 bar Áp suất có thể điều chỉnh: 0,5 ÷ 10 bar Tổn hao áp suất trên van: 0,5 bar Nhiệt độ làm việc của van: 50 – 80 độC
Hình 2-26 Van điều áp và lọc khí
2.4.3.3 Tính toán và chọn ống dẫn khí nén
Công thức tính đường kính đường ống dẫn khí cần thiết tối thiểu cho hệ thống khí nén: d 4.Q
trong đó: d – đường kính ống, (mm)
Q – lưu lượng khí nén, Q = 1000 - 1500 (l/giờ) = 4,17.10 -4 (m 3 /s)
V-vận tốc dòng khí trong ống, được tra theo bảng 2-8
Bảng 2-7 Vận tốc khí nén
Với áp suất của khí nén từ 4 – 6 bar nên theo bảng 2-7, vận tốc dòng khí trong ống từ 30,5 – 50,9 m/s Lấy V = 40 m/s
Vậy dựa theo catalog của hãng [8] ta chọn ống dẫn khí nén có đường kính trong d = 2,3 mm, đường kính ngoài D = 4 mm
Trong hệ thống khí nén, giống như trong hệ thống thủy lực, có sự hao mòn và mất mát năng lượng khi vận hành máy nén khí và các thiết bị liên quan Một trong những nguyên nhân chính gây ra tổn thất năng lượng là do sự rò rỉ và tổn thất trên đường ống.
Tổn thất trên đường ống bao gồm:
Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng ( p R Δ )
Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi ( p E Δ )
Tổn thất trên các loại van (van định áp và lọc nước) ( p v Δ ) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng được xác định theo công thức:
Trong đó: l – chiều dài ống dẫn, l = 1,2 (m)
V – vận tốc của dòng chảy, V = 40 (m/s) d – đường kính ống dẫn, d = 2,3 (mm) = 2,3.10 -3 (m) abs n n
p - khối lượng riêng của không khí
n – khối lượng riêng của không khí ở trạng thái tiêu chuẩn pn = 1,013 áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn pabs – áp suất trong ống dẫn
- hệ số ma sát ống, có giá trị phụ thuộc vào chế độ chảy Theo yêu cầu bài toán ta có: pabs = 5-7 bar
Số Reynold được xác định theo công thức:
Trong đó: V – vận tốc của dòng khí, V = 40 (m/s) d – đường kính của ống dẫn, d = 2,3 (mm)
Do Re = 6927,7 > 2300 => chế độ chảy là chế độ chảy rối
Trong đó: - độ nhám tương đương bề mặt trong ống dẫn, với ống mềm cao su thì
= 0,03 (mm) d – đường kính ống dẫn, d = 2,3 (mm)
2.2,3.10 −3 = 84630 ( kg/𝑚 𝑠 2 ) = 0,84 (bar) Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi được xác định theo công thức:
MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO HỆ THỐNG GIA TẢI
Mô hình hóa hệ thông bôi trơn cao tốc ổ trục chính máy phay đứng
Thống số của toàn hệ thống liệu kê trong bảng 3.1
Hệ khung có kích thước dài 900 mm, rộng 450 mm và cao 673 mm Hệ thống gia tải dọc trục có kích thước dài 216 mm, rộng 136 mm và cao 153 mm Hệ thống gia tải mô men có kích thước dài 210 mm, rộng 200 mm và cao 232 mm Khoảng cách từ trục động cơ Servo đến trục trung gian là 165 mm.
Khoảng cách từ trục trung gian đến trục chính 207
Chiều cao động cơ Servo 207
Kích thước động cơ khí nén 62 x 56.6 x 108 Khoảng cách từ đầu dưới trục chính tới mặt đế 100
Khoảng cách từ máy nén khí đến sau khung hệ thống 30
Khoảng cách từ tủ điều khiển tới hệ thống 10
Kích thước tủ điều khiển 400 x 250 x 600 Kích thước vỏ máy phía trên dài x rộng x cao 210 x 193 x 351.5
Kích thước vỏ máy phía dưới 161.5 x 215 x
Bảng 3-1 Thông số kết cấu toàn máy
Hình 3-1 Mô hình thực nghiệm bôi trơn cao tốc ổ trục chính máy phay đứng
Mô phỏng tĩnh học và động lực học hệ thống bôi trơn cao tốc ổ trục chính máy phay đứng
Mô phỏng hệ thống đa vật thể là quá trình mô phỏng động lực học của các hệ thống cơ khí bao gồm nhiều vật thể, trong đó các vật thể được coi là cứng tuyệt đối, không có biến dạng hay chuyển vị Phương trình chuyển động trong mô phỏng này thường có dạng phi tuyến bậc cao và tập trung vào hành vi tổng thể của hệ thống thay vì đánh giá từng chi tiết riêng lẻ Ngược lại, phân tích phần tử hữu hạn trong kỹ thuật kết cấu nghiên cứu ứng xử của từng thành phần dưới tác động của lực, với các lực được xác định trước thông qua thực nghiệm hoặc tính toán.
Khi kiểm tra độ bền điểm của bộ phần công trình hay chi tiết máy bị kéo nén
(trạng thái ứng suất đơn), bị cắt hoặc xoắn (trượt thuần túy), ta có điều kiện sau:
Ứng suất cho phép được xác định từ kết quả thí nghiệm kéo, nén, cắt và tính toán bằng cách chia ứng suất nguy hiểm cho hệ số an toàn Độ bền của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào trạng thái ứng suất mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố cơ, lý như nhiệt độ, thời gian và cách đặt lực Những yếu tố này có ảnh hưởng phức tạp, do đó việc chỉ đánh giá kết cấu máy ở trạng thái tĩnh không đủ để phát hiện các vùng nguy hiểm tiềm ẩn Vì vậy, nhóm sinh viên đã đề xuất và thực hiện việc đánh giá kết cấu khung máy từ góc độ động lực học.
Nhóm đồ án sẽ thực hiện kiểm nghiệm bằng phần mềm mô phỏng MSC ADAMS, trong quá trình mở máy, khi vận tốc của động cơ tăng từ 0.
3000 vòng/phút và khi đo momen từ trục động cơ cũng là lớn nhất
Để đánh giá khả năng chịu ứng suất của kết cấu máy trước khi chế tạo, việc chia nhỏ bài toán là rất quan trọng do khó khăn và yêu cầu tính toán lớn khi đánh giá hệ thống lớn Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá kết cấu khung chính và trụ trung gian của hệ thống, trong khi các thành phần còn lại được coi là tuyệt đối cứng Bài toán này giải quyết hệ thống đa vật thể, đồng thời tích hợp đánh giá các thành phần chi tiết trong hệ thống.
Mô hình hóa hình học
Hệ thống bơi trơn cao tốc ổ trục chính đã được mô hình hóa chi tiết ở phần trước, do đó không cần lặp lại thông tin trong phần này Trước khi tiến hành phân tích toán, hệ thống cơ khí được tích hợp thành 4 phần chính: động cơ, trục trung gian, trục chính và khung máy, như thể hiện trong hình 3-1.
Hình 3-2 Mô hình hóa mô hình
Mô hình hóa động cơ
Bài toán đánh giá quá trình tăng tốc của động cơ khi mô men trên trục đạt giá trị lớn nhất là rất quan trọng Khi động cơ được cấp nguồn điện, Roto sẽ quay với mô men được cung cấp trong trạng thái mở máy Việc mô hình hóa động cơ một cách chính xác là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
61 đơn giản Động cơ được quy về trục động cơ và mô hình hóa theo phương trình đặc tính cơ[22]
𝑇 𝑚 : Mô men của đông cơ (N.m) c: hệ số giảm chấn (N.m.s/rad)
J: Mô men quán tính của trục động cơ (kg.m 2 )
𝜔 1 : vận tốc góc của trục động cơ sau khoảng thời gian ∆𝑡 (rad/s)
𝜔 0 : vận tốc ban đầu của trụ động cơ
Hình 3-1: Đường đặc tính động cơ[14]
Đặc tính của động cơ xác định mô men mở máy đạt 23.556 N.m, đây là giá trị lớn nhất trên trục động cơ Nhóm đồ án đã đánh giá quá trình mở máy với vận tốc roto tăng từ 0 đến 3000 vòng/phút, từ đó cung cấp các giá trị thông số cho phương trình 3.4 được liệt kê trong bảng 3-2.
Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Bảng 3-2 Giá trị thông số cho phương trình
Mô hình hóa vật liệu
Kết cấu toàn máy bao gồm nhiều thành phần khác nhau, mỗi thành phần được làm từ các loại vật liệu đa dạng Nhóm đồ án áp dụng các giá trị thông số vật liệu được trình bày trong bảng số 3-3.
STT Thành phần Mô đun đàn hồi
Hệ số Possion Ứng suất cho phép
Bảng 3-2 Thống số vật liệu các thành phần trong kết cấu toàn máy
Mô phỏng tĩnh học và động lực học
Mô phỏng hệ thống đa vật thể là quá trình phân tích động lực học của các vật thể cứng, với phương trình chuyển động thường ở dạng phi tuyến bậc cao, tập trung vào hành vi tổng thể của hệ thống Trong khi đó, phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu ứng xử của từng chi tiết cơ khí dưới tác động của lực, với các thành phần lực được xác định trước thông qua thực nghiệm hoặc tính toán Việc kết hợp hai lĩnh vực này làm cho tính toán trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi giải quyết đồng thời hai bài toán Phần mềm MSC Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) là công cụ phổ biến nhất thế giới cho phân tích động lực học của hệ thống đa vật thể, có khả năng giải quyết cả bài toán phần tử hữu hạn và hệ thống đa vật thể.
Hình 3-2 Phần mềm MSC Adams
Quy trình mô phỏng tĩnh học
MÔ HÌNH HÓA HÌNH HỌC
THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN
MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU
TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT LẶP ĐIỀU KIỆN BIÊN
SO SÁNH VỚI ỨNG SUẤT
VÀ CHUYỂN VỊ CHO PHÉP BẮT ĐẦU
Hình 3-3 Quy trình mô phỏng tĩnh học
Cụ thể, sử dụng mô đun Adams view của MSC.ADAMS các bước của quy trình trên sẽ được thực hiện như sau:
Thiết lập mô hình học hệ thống Mô hình được thiết kế trên phần mềm Catia V5-6
Năm 2013, sau khi hoàn tất quá trình mô hình hóa, mô hình sẽ được nhập trực tiếp vào Adams View để tiến hành xây dựng mô hình tính toán.
Bài toán tĩnh học có quy trình tương tự như mô phỏng động lực học, bao gồm các bước mô hình hóa hình học, mô hình hóa vật liệu và gắn kết các khớp, nhưng không mô hình hóa động cơ Trong quá trình này, trục động cơ không chuyển động, đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động ở trạng thái tĩnh.
Quy trình mô phỏng động lực học
MÔ HÌNH HÓA HÌNH HỌC
THIẾT LẬP ĐIỀU KIỆN BIÊN
MÔ HÌNH HÓA VẬT LIỆU
TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT VÀ CHUYỂN VỊ THIẾT LẶP ĐIỀU KIỆN BIÊN
SO SÁNH VỚI ỨNG SUẤT
VÀ CHUYỂN VỊ CHO PHÉP BẮT ĐẦU
Hình 3-4 Quy trình thực hiện mô phỏng động lực học
Cụ thể, sử dụng mô đun Adams view của MSC.ADAMS các bước của quy trình trên sẽ được thực hiện như sau:
Thiết lập mô hình học hệ thống Mô hình được thiết kế trên phần mềm Catia V5-6
Vào năm 2013, quá trình mô hình hóa đã được thực hiện như đã đề cập ở trên Sau khi hoàn tất mô hình hóa, dữ liệu sẽ được nhập trực tiếp vào Adams View để tiến hành xây dựng mô hình tính toán.
Hình 3-5 Giao diện gán các thống số về vật liệu trên ADAMS view
Tạo các rằng buộc giữa các chi tiết gồm có: Tạo khớp quay, gắn cố định:
Giao diện gắn liên kết giữa các chi tiết của mô hình cho thấy khung máy được gắp cố định với trục chính, động cơ và phần đế thông qua các bu lông Trong phần mềm, các bu lông này sẽ được thay thế bằng các khớp cố định Động cơ sẽ được thiết lập với mô men và hệ số giảm chấn như minh họa trong hình 3.8.
Hình 3-7 Giao diện tạo hệ số giảm chấn và mô men mở máy của động cơ
Trong module Machinery của phần mềm Adams, người dùng có thể tạo các chi tiết tiêu chuẩn như ổ bi, bánh răng, bu-li và xích Mỗi loại chi tiết này đều có các phương pháp mô hình hóa từ đơn giản đến phức tạp Nhóm đồ án áp dụng phương pháp mô hình hóa đơn giản nhằm tối ưu hóa quá trình tính toán.
Hình 3-9 Thông số của ổ bi
Hình 3-10 Mô hình sau khi xây dựng rằng buộc và điều kiện biên trên Adams
Sau khi thiết lập hệ dẫn động, ràng buộc và điều kiện biên, tiến hành chia lưới cho mô hình Mô hình sẽ đánh giá trục trung gian và khung máy, được xem như hai bài toán độc lập.
Hình 3-11 Thông số để chia lưới đối với khung máy
Khung máy đã được chia lưới sử dụng phần tử tứ diện với kích thước phần tử là 20 mm và kích thước nhỏ nhất là 5 mm Sau quá trình chia lưới, khung máy hiện có tổng cộng 19,334 nút và 75,770 phần tử.
Toàn bộ mô hình được thực hiện trên một trạm tính toán, cấu hình CPU Xeon E5 -
2680 với 2 nhân, tốc độ xung nhịp 2.6 Ghz và bộ nhớ RAM 8Gb
Kết quả mô phỏng tĩnh học
Hình 3-13 Kết quả miền phân bố ứng suất của khung máy
Kết quả phân tích cho thấy dải ứng suất trên khung máy dao động từ 1.48E-13 đến 1.83 MPa, nằm trong giới hạn ứng suất cho phép của thép CT3 Bài toán tĩnh học chỉ đánh giá khả năng chịu tải trọng tĩnh của máy, mà không xem xét các yếu tố động học Sau khi hoàn thành tính toán bài toán tĩnh, nhóm đồ án đã tiến hành tính toán bài toán động lực học để có cái nhìn toàn diện hơn về hiệu suất của khung máy.
Kết quả mô phỏng động lực học
Vận tốc trục động cơ
Hình 3-16 Vận tốc góc trục động cơ
Vận tốc trục động cơ sau khi tính toán đã tăng từ 0 đến 313.90 rad/s, tương đương 2997.51 vòng/phút, gần giống với giá trị thực tế Kết quả này phù hợp với các điều kiện đánh giá hệ thống trong quá trình tăng tốc.
Phân bố ứng suất kết cấu chế tạo
Hình 3-17 Kết quả miền phân bố ứng suất của khung máy
Biểu đồ phân bố ứng suất cho thấy dải ứng suất dao động từ 1.48E-13 đến 26.25 MPa, với hầu hết kết cấu nằm trong vùng ứng suất 2.63 MPa Miền phân bố ứng suất được thể hiện qua dải màu sắc trên hình Đáng chú ý, tất cả giá trị ứng suất đều nhỏ hơn giới hạn cho phép của vật liệu, nằm trong khoảng 37 – 47E+7 Pa.
Hình 3-18 Kết quả 10 nút có ứng suất lớn nhất trong cả quá trình mô phỏng
Từ kết quả giá trị 10 nút có ứng suất lớn nhất xác trên hình xác định được vùng nguy hiểm của kết cấu tương ứng với giá trị x.4225, yH2, z30.556
Hình 3-19 Kết quả chuyển vị khung máy
Chuyển vị của khung máy có giá trị lớn nhất 4.31E-4 mm, đạt điều kiện cho phép của bài toán.