Nghiên cứu thông số làm việc của máy cắt gạch block AAC để đạt nhấp nhô bề mặt thấp nhất

CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ MÁY ĐỨNG

2.1 Đặc điểm kết cấu và yêu cầu kỹ thuật
2.1.1 Đặc điểm kết cấu
- Đảm ảo độ cứng vững cũng nhƣ tính ổn định trong quá trình hoạt động.
- Kết c u phải đơn giản cho q trình thay đổi kích thƣớc của dây cắt.
- Dễ dàng ảo trì.
- Vận hành đơn giản.
- An tồn cho ngƣời sử dụng.
- Kích thƣớc khối gạch 4000 x 600 x 1000 (mm).
2.1.2 Yêu cầu kỹ thuật
- Viên gạch đạt kích thƣớc cho phép trong xây dựng : ± 1mm.
- Ch t lƣợng ề mặt viên gạch tốt theo các tiêu chí sau: Khơng để lại vết cắt,
cũng nhƣ ề mặt viên gạch không ị vỡ, nứt, đặc iệt là phần gốc, cạnh của viên
gạch.
- N ng su t cắt 5 (phút/lần).

30


2.2 Tính tốn động lực học
2.2.1 Lực căng dây

Hình 2.1 Sơ đồ trạng thái dây trong quá trình cắt.
Lực c ng dây cần thiết tính theo cơng thức:

F  FV  FH (N)

(2-1)

Với:

FV : Lực c ng dây theo phƣơng thẳng đứng (N).
FH : Lực c ng dây theo phƣơng ngang (N).

Hình 2.2 Phân tích thành phần lực sinh ra trên dây trong quá trình cắt
- Bằng thực nghiệm đo đạc lực c ng từ máy cắt tại nhà máy ta tìm đƣợc 150 (N).
- Khoảng cách võng tối đa của sợi dây là 2cm=20mm.

31


20
600
   1,9
 tan  

(2-2)

Từ đó suy ra:

(2-3)
Do đó, lực c ng dây cần thiết:

(2-4)
- Để cắt một mẻ gạch cần tối đa là 40 sợi dây.
- Do đó, lực c ng tối đa mà khung cắt phải chịu là:
6003,3 (N)
199,04 (N)

(2-5)
(2-6)

Ta th y, ứng su t tối đa của khung cắt là 218,5MPa < [ ]=250MPa thỏa mãn điều
kiện ền của vật liệu
Bố trí dây cắt phải so le nhau đảm ảo rằng lực sinh ra trong quá trình cắt phải đƣợc
khử tối đa nhằm giảm rung động nhiều nh t có thể.

Hình 2.3 Hình Sơ đồ ố trí dây cắt
32


2.2.2 Vận tốc cắt và bước tiến khung cắt
Ảnh hƣởng tốc độ dao động của khung cắt đến ch t lƣợng ề mặt
- Theo thuyết cắt gọt vật liệu thì để đạt đƣợc ch t lƣợng ề mặt tốt thì trong quá
trình cắt cần phải quan tâm hai yếu tố đó là: tốc độ cắt (v) và ƣớc tiến dao
(feed).
- Tốc độ cắt ở đây chính là tốc độ rung của khung, phụ thuộc vào cơ c u tay quay
con trƣợt, từ thực nghiệm thì chọn tốc độ góc của cơ c u cam là ω = 30
(rev/min).
Bƣớc tiến dao là tốc độ đi xuống của khung cắt, phụ thuộc vào tốc độ của cylinder.
Kết luận: Vận tốc cắt cực đại là v = 0,5 (m/s), ƣớc tiến tối đa của khung 20
(m/phút).
Tính tốn, chọn chi tiết
2.2.3 Con trượt
2.2.3.1 Chọn con trượt vng HGH

Hình 2.4 Con trƣợt vng HGH

33


Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật con trƣợt vuông [8].

Tải trọng tác động nhƣ hình dƣới:

Hình 2.5 Tải trọng tác động lên con trƣợt vng HGH
2.2.3.2 Tính to n tuổi thọ
Tải trọng tƣơng đƣơng
Ta có :
P1 ~ P4  

W .h F .l
(N)

2d 2d

(2-7)

Trong đó :
- W =0
- F= 15000N
- d = 360mm
- C = 4260mm
- L = 800mm

34

Thay số ta tính đƣợc

P1  P2  P3  P4 

F.l 1500.800

 1667 (N)
2d
2.360

L y Pm= 1667(N)
Tuổi thọ của con trƣợt:
Tuổi thọ trung ình
3

C 
L    .50 (km)
P

(2-8)

Trong đó :
+ C = 48.5(kN)
+ P = 1667 (N)
Thay vào công thức (2-8) ta đƣợc:
3

 48500 
L
 .50  1231369 (km)

 1667 

2.2.4 Tính tốn cylinder
2.2.4.1 Thiết kế mạch nâng hạ khung cắt
a. Mục đích
Hệ thống nâng hạ giúp khung cắt di chuyển lên xuống trong quá trình máy hoạt
động, tuy nhiên phải đảm ảo độ chính xác trong q trình vận hành cũng nhƣ tính
tin cậy trong q trình sử dụng.
. Yêu cầu
- Cho phép di chuyển chậm;
- Chi phí rẻ;

35


- An tồn trong q trình sử dụng;
- Kết c u đơn giản, dễ dàng lắp đặt và ảo trì.
Theo nhƣ tìm hiểu về các hệ thống trên thế giới thì hệ thống thủy lực là phù hợp
nh t
2.2.4.2 Thiết kế hệ thống thủy lực
Yêu cầu :
- Dùng 1 công tắc để di chuyển lên, một công tắc đi chuyển xuống và cơng tắc
cịn lại để dừng khẩn c p;
- Có khả n ng dừng khi hệ thống m t điện;
- Có hệ thống chống quá tải.
2.2.5 Cam và tay biên
Mơ hình ài tốn tay quay con trƣợt:
- Tay quay sử dụng cơ c u tay quay con trƣợt (cam lệch tâm).
- Cơ c u truyền động là thanh truyền.
- Con trƣợt chọn là con trƣợt trịn của hãng Hiwin.

Hình 2.6 Mơ hình tay quay con trƣợt
36


2.2.6 Tính tốn cơng suất động cơ
Cho tay quay di chuyển khả d một đoạn  thì con trƣợt C sẽ di chuyển 1 đoạn

x
Áp dụng nguyên lý di chuyển khả d M .  P.x  0

(2-9)

Ta có:

√
Mà:

(2-10)

√

(

)

√

Thế (2-10) vào (2-9) ta đƣợc:
M .  P.x  0  M .  P(r.sin( )  r 2 .sin( ).

 M  Pr.sin( )(1  r

cos( )
l  r .sin ( )
2

2

cos( )
l 2  r .sin 2 ( )
2

)  0

)

2

Ta lại có   o  t , thay vào công thức trên ta đƣợc:

M  Pr.sin( t  o )(1  r

cos( t  o )
l 2  r .sin 2 ( t  o )
2

)

Trong đó:
P = 5000 (N);

o =0;   

(rad/s); r = 0,025 (m); l=0,4 (m).

37

(2-11)


Thay số ta đƣợc:

M  125 | sin( t)(1  0.025

cos( t)

)|

0.4  0.025 .sin ( t) (Nm)
2

2

2

Hình 2.7 Đồ thị moment theo thời gian
2

M tb

| M | dt
M .t 
240




T

t
i

o

(Nm)

(2.12)

i

Pr 

30.

240

n.M
  0, 24 (kW)

9550

9550

Công su t động cơ:

Pdc 

Pr



(kW)

(2-13)

Trong đó   1.2..3....i

38


+ 1 : hiệu su t của ổ l n
+  2 : hiệu su t ộ truyền xích
+ 3 : hiệu su t của ổ trƣợt

 Pdc 

0, 24
 0, 29 (kW)
0,99 .0,97 2.0,984
6

Kết quả: Chọn động cơ điện có tỉ số truyền 1:60, cơng su t 0,75 (kW) và số vịng
quay n=1440 (vịng/phút).
2.2.7 Tính tồn khớp nối trục đĩa cho cơ cấu chỉnh xích

Hình 2.8 Đ a có lỗ

Hình 2.9 Đ a có rãnh
39


Nối trục d a ao gồm 2 mayơ, mỗi d a đƣợc lắp lên phần cuối của trục ằng cách
hàn lại. Hai nửa đ a đƣợc nối với nhau ằng mối ghép ulơng. Bulơng đƣợc lắp có
khe hở, moment đƣợc truyền từ trục này sang trục khác nhờ lực ma sát sinh ra giữa
ề mặt lắp ghép 2 đ a nhờ lực xiết ulơng. Để đảm ảo q trình điều chỉnh xích thì
1 đ a đƣợc khoan lỗ trịn cịn đ a còn lại đƣợc phay theo cung tròn nhƣ hình 2.9.
u cầu phải điều chỉnh sao cho mắc xích 2 ên trùng với nhau, moment xoắn chịu
đƣợc 50 (N.m), dễ dàng điều chỉnh và ổn định trong quá trình hoạt động.
Ta có:

d
d
Fms . .Z  kM  Z .Fxiet .  kM
2
2
2.k .M
 Fxiet 
Z ..d

(2-14)

Trong đó :
+ d : là đƣờng kính vịng trịn đi qua tâm các ulơng, d=0,140 mm
+ k : là hệ số tồn l y k =1,5
+  : là hệ số ma sát l y  =0,2
+ Z : là số u lông chọn Z = 8
+ M : là moment, ở đây M =50 (N.m)
Thay số tính đƣợc:

Fxiet = 670N

Do mối lắp có khe hở nên lực xiết u lơng V = 10. Fxiet = 6,7 (kN)
Ứng su t kéo do lực xiết gây ra mỗi u lông là :



V
d2
.
4

(2-15)

40


Từ điều kiện ền :

1,3V
 [ k ]
d2

.
4
4.1,3.V
d
 .[ k ]

 td  1,3 

(2-16)

Trong đó :
+ V = 6,7 (kN)
+

[ k ] = 100 (MPa)

Thay số tính đƣợc : d  10,5mm
Vậy ta chọn u lơng M12.
2.2.8 Tính tốn khớp nối xích
Do trong q trình gia cơng và lắp ráp sẽ su t hiện sai số dẫn tới hai trục nối với
nhau sẽ khơng đồng tâm, vì vậy sẽ cần một khớp nối phù hợp để cho phép sai số đó.
Khớp nối xích trong trƣờng hợp này phù hợp vì nó có thể cho phép các trục nghiêng
một góc đến 1o30’ và độ lệch tâm từ 0,25 đến 0,5mm, mặc khác khớp nối này tƣơng
đối rẻ và dễ dàng lắp đặt. Với moment cực đại của hệ thống là 50N.m, theo ảng
16.6 tài liệu [9] ta chọn khớp nối có ƣớc xích p=19,05 và số r ng là z=12 và
moment cho phép là 60 (kNm).

41

Bảng 2.2 Các kích thƣớc chủ yếu của nối trục xích ống con l n một dây, mm [9]

[T] nmax
d
N.m (vg/ph)

60
80
100

1600

D

Xích ống con lăn một dãy
Khe
Tải
Khoảng
hở lắp Đƣờng
trọng
L
cách Bƣớc
ghép
kính
phá
giữa 2 xích t
C
chốt
hỏng
má

Q[N]

18
20 110 90
22

1,0

12

12,9

19,05 25.000

G.D2
Z N.m2

12

0,07

Hình 2.10 Khớp nối trục xích
Kiểm nghiệm hệ số an tồn theo cơng thức:
S

Q
 [S ]
(1, 2  1,5) Ft

(2-17)

Q – là tải trọng phá hủy xích

Ft – là lực vịng tác dụng lên xích

42


Ft 

2kM
Do

Do 

p
180
sin(
)
z

(2-18)

S – là hệ số an toàn cho phép của đ a xích theo ảng 16.7 tài liệu [9] thì S > 7
Thay số ta tính đƣợc:
S  8, 4  [ S ]

Vậy khớp nối đã chọn là hợp lý.
2.2.9 Tính tốn thiết kế then
Then có tác dụng truyền moment trong quá trình hoạt động. Hệ thống hoạt tải trọng

va đập nên chọn then hoa là phù hợp.
Chọn đƣờng kính trục sơ ộ d  3

5M
[ ]

Trong đó:
M – moment xoắn.
[ ] - ứng su t xoắn cho phép, ở đây [ ] =20MPa.

Thay số tính đƣợc d = 23,2mm
Vậy chọn then hoa có kích thƣớc 8x36x40 ở các ộ truyền.
2.2.10 Tính tốn thiết kế trục
2.2.10.1 Chọn vật liệu
Vật liệu dùng để chế tạo trục cần có độ ền cao, ít ị ảnh hƣởng của sự tập trung
ứng su t, dễ gia cơng và có thể nhiệt luyện dễ dàng. Cho nên thép car on và thép
hợp kim là những vật liệu chủ yếu để chế tạo trục. Việc lựa chọn thép hợp kim hay

43


thép car on tùy thuộc vào điều kiện làm việc của trục đó có chịu tải trọng lớn hay
khơng.
Trục cần tính giữ vai trị truyền động cho 2 cơ c u cam, chịu tải trọng trung ình
nên ta chọn vật liệu làm trục là thép C45 thƣờng hóa có cơ tính nhƣ sau:
 b  600 MPa;

 ch  340 MPa;

Với độ cứng là 200HB.

Ứng su t cho phép [ ]  15  30 MPa tùy thuộc vào vị trí đặt lực ta đang xét.
2.2.10.2 Tính thiết kế trục
Xác định sơ ộ đƣờng kính trục
Đƣờng kính trục sơ ộ đƣợc xác định theo cơng thức :
d

3

T
(mm).
0, 2.[ ]

Trong đó:
- T là moment xoắn tác dụng lên trục, N.mm ;
Ta có:
-

T1  T2 ; T3  T4

- u1 

n
n4
 u2  3  1
n1
n2

- T3  T4 

240
2.

- T1  T2 

2.T3
2.38197

 85350 (N.mm)
4
.u1 0,99 .0,994.0.97.1

38,197 (Nm) = 38197 (N.mm).

Do đó, đƣờng kính sơ ộ của các trục sẽ là:
- d3  d 4 

3

38197
 23, 4 (mm), chọn theo tiêu chuẩn d3  d4  30 (mm).
0, 2.15

- d1  d 2 

3

85350
 30,5 (mm), chọn theo tiêu chuẩn d1  d2  35 (mm).
0, 2.15

Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực

44

(2-19)


Dựa vào đƣờng kính trục, sử dụng ảng 10.2 [10] để chọn chiều rộng ổ l n, công
thức (10.10) [10] để xác định chiều dài may-ơ đ a xích, cơng thức (10.13) [10] để
xác định chiều dài nửa nối trục, ảng 10.3 và 10.4 để tính các khoảng cách. Kết quả
tính đƣợc khoảng cách

lki trên

trục thứ k từ gối đỡ 0 đến chi tiết quay thứ i nhƣ sau:

- Trục 1:
l11  42,5 mm; l12  2216 mm;

l13  2280,5 mm.

- Trục 2:
l21  68 mm; l22  2406 mm;

l23  2438,5 mm;

l24  2546,5 mm.

- Trục 3, 4: Do 2 trục giống nhau nên ta chỉ cần tính tốn 1 trong 2 trục.

l31  169 mm;

l32  255 mm;

l33  310 mm;

l34  139 mm.

2.2.10.3 Tải trọng t c dụng lên trục
Trục 1:
Lực tác dụng lên trục ở ộ truyền xích:
Fr  k x Ft  6.107.k x .

Trong đó,

kx :

P1
zpn1

Hệ số kể đến trọng lƣợng xích. Chọn

(2-20)

k x  1,15 .

0, 24
2.0,99 .0,992.0,97
 Fr  6.107.1,15.
 613,78 (N)

19.25, 4.30
2

Lực khớp nối xích:
Lực vịng:
Lực khớp nối:

Ft 

2T1 2.85350

 2622 (N)
Dt
65,1
FKN  0,3.Ft  0,3.2622  786, 6 (N)

- Trục 2:
Lực tác dụng lên trục ở ộ truyền xích:

45


Fr  k x Ft  6.107.k x .

Trong đó,

kx :

P2
zpn2

Hệ số kể đến trọng lƣợng xích. Chọn

k x  1,15 .

0, 24
2.0,99 .0,992.0,97
 Fr  6.107.1,15.
 613,78 (N)
19.25, 4.30
2

Lực khớp nối xích:
+ Lực vịng: Ft 
+ Lực khớp nối:

2T2 2.85350

 2622 (N)
Dt
65,1
FKN  0,3.Ft  0,3.2622  786, 6 (N)

- Trục 3, 4:
Lực tác dụng lên trục ở ộ truyền xích:
Fr  k x Ft  6.107.k x .

Trong đó,

kx :

P3
zpn3

Hệ số kể đến trọng lƣợng xích. Chọn

k x  1,15 .

0, 24
2
 Fr  6.107.1,15.
 571,9 (N)
19.25, 4.30

Lực tác dụng lên trục ởi ánh lệch tâm:
- Lực vòng tác dụng lên trục ở ánh lệch tâm:
 Fr 
 F34 x

T3
38197

 1527,88 (N)
AB
25
 F33 x  Fr  1527,88 (N)

- Lực hƣớng tâm tác dụng lên trục ở ánh lệch tâm:

46

 F34 y  F33 y  mkhung . AB. 2  214.0,025. 2 =52,8 (N)
2.2.10.4 Tính phản lực gối đỡ
- Trục 1:
Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOy:

 F  FDy  FEy  Fr  0


 M D  FEy .l12  Fr .l13  0

 FDy  17,82 (N)


 FEy  631, 6 (N)

(2-21)

Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOx:

 F   FDx  FEx  FKN  0


 M D   FKN .l11  FEx .l12  0
 FDx  801,69 (N)

 FEx  15,09 (N)

(2-22)

- Trục 2:
Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOy:

 F   FDy  FEy  Fr 21  Fr 23  0


 M D  FEy .l22  Fr 23 .l23  Fr 21.l21  0

 FDy  622,84 (N)


 FEy  604,72 (N)

(2-23)

Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOx:

47



 F   FDx  FEx  FKN  0


 M D  FKN .l24  FEx .l22  0

 FDx  45,9 (N)

 FEx  832,5 (N)

(2-24)

- Trục 3,4:
Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOy:

 F  FDy  FEy  Fr  F33 y  F34 y  0


 M D  FEy .l31  Fr .l32  F33 y .l33  F34 y .l34  0

 FDy  431,3 (N)


 FEy  1003, 2 (N)

(2-25)

Ta có phƣơng trình moment và phƣơng trình hình chiếu của lực trên mặt phẳng
zOx:

 F   FDx  FEx  F34 x  F33 x  0


 M D   FEx .l31  F33 x .l33  F34 x .l34  0
 FDx  4059,3 (N)


 FEx  4059,3 (N)

48

(2-26)


Hình 2.11 Sơ đồ đặt lực, iểu đồ moment của trục 1

49


Hình 2.12 Sơ đồ đặt lực, iểu đồ moment của trục 3, 4

50


Hình 2.13 Sơ đồ đặt lực, iểu đồ moment của trục 2
2.2.10.5 X c định moment uốn tổng và moment tương đương
Moment uốn tổng

M ki và

moment tƣơng đƣơng

M tdki

tại các tiết diện i của các trục:

2
2
M ki  M yki
 M xki

(2-27)

M tdki  M ki2  0,75.Tk2

(2-28)

M tdki
0,1.[ ]

(2-29)

d ki 

3

Trong đó:

51


-

M xki

, M yki : Moment uốn tổng trong mặt phẳng zOy và zOx tại các tiết diện của

trục k.
- [ ] : Ứng su t cho phép của thép chế tạo trục, [ ] = 63 MPa.
Bảng 2.3 Bảng tổng hợp moment uốn tổng và moment tƣơng đƣơng tại các tiết diện
của các trục
Trục

Trục 1

Trục 2

Trục
3,4

Moment uốn
Ký hiệu
M10
M11
M12
M13
M20
M21
M22
M23
M24
M30
M31
M32
M33
M34

Moment tƣơng đƣơng M tdki

M ki

Giá trị (Nmm)
33431
0
39489
0
41737
0
112222
84953
0
212501
222749
84083
0
0

Ký hiệu
Mtd10
Mtd11
Mtd12
Mtd13
Mtd20
Mtd21
Mtd22
Mtd23

Mtd24
Mtd30
Mtd31
Mtd32
Mtd33
Mtd34

Đƣờng kính tại các tiết diện và l y theo tiêu chuẩn

52

Giá trị (Nmm)
81124
73915
83802
73915
84885
73915
134377
112608
73915
215060
225191
90356
33079,6
33079,6


Bảng 2.4 Bảng tổng hợp đƣờng kính tại các tiết diện của các trục
Trục

Trục 1

Trục 2

Trục
3,4

Đƣờng kính tính tốn
Ký hiệu
Giá trị (mm)
d10
29,2
d11
28,3
d12
29,5
d13
28,3
d20
29,6
d21
28,3
d22
34,5
d23
32,6
d24
28,3
d30

32,4
d31
32,94
d32
24,29
d33
17,38
d34
17,38

Đƣờng kính chọn theo tiêu chuẩn
Ký hiệu
Giá trị (mm)
dtc10
50
dtc11
30
dtc12
50
dtc13
36
dtc20
50
dtc21
36
dtc22
50
dtc23
36
dtc24

30
dtc30
40
dtc31
40
dtc32
38
dtc33
28
dtc34
38

2.2.10.6 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi
Với thép C45 có  b

 600 MPa

 1  0, 436 b  0, 436.600  261,6 MPa

 1  0,58. 1  0,58.261,6  151,728 MPa

Theo ảng 10.7 [10] ta có:
   0, 05

   0

Do các trục đều quay, ứng su t thay đổi theo chu kỳ đối xứng, do đó:

 mj  0;

 aj 

Mj
Wj

;

(2-30)

Vì trục quay 1 chiều ứng su t xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động. Do đó:

 mj   aj   max j / 2  Tj / (2Woj )
53

(2-31)


2.2.10.7 X c định hệ số an toàn ở c c tiết diện nguy hiểm của trục
Dựa vào kết c u trục và iểu đồ moment tƣơng ứng ta th y các tiết diện sau đây là
tiết diện nguy hiểm.
- Trên trục 1: Tiết diện nguy hiểm: 12 – 13.
- Trên trục 2: Tiết diện nguy hiểm: 22 – 23.
- Trên trục 3: Tiết diện nguy hiểm: 30 – 32 – 34.
a. Chọn kiểu lắp:
Các ổ l n lắp trên trục theo kiểu k6, lắp đ a xích, lắp cam, nối trục theo kiểu k6 kết
hợp với then hoa chữ nhật.
Trị số moment cản uốn và moment cản xoắn ứng với tiết diện trục nhƣ sau:
Bảng 2.5 Trị số moment cản và moment cản xoắn ứng với tiết diện trục
Tiết diện

ZxdxD

h

b

W ( mm3 )

Wo (mm3 )

13
21
23
32
34

8 x 36 x 40
8 x 36 x 40
8 x 36 x 40
8 x 36 x 40
8 x 36 x 40

1,2
1,2
1,2
1,2
1,2

7
7

7
7
7

5153
5153
5153
5153
5153

10306
10306
10306
10306
10306

b. Xác định hệ số K dj và K dj đối với các tiết diện nguy hiểm:
Ta có cơng thức:

K dj  ( K /   K x  1) / K y
K dj  ( K /   K x  1) / K y

(2-32)

Trong đó:
Kx

- Hệ số tập trung ứng su t do trạng thái ề mặt, phụ thuộc vào phƣơng pháp gia

công và độ nhẵn ề mặt.

54