(Đề tài NCKH) Thiết kế mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (10.81 MB, 70 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
THIẾT KẾ MƠ HÌNH TỰ ĐỘNG HĨA
HỆ THỐNG THU HOẠCH RAU THỦY CANH
SV2021-24
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật
SV thực hiện: Huỳnh Văn Trưởng
Nam, Nữ: Nam
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 181040B, Cơ Chế Tạo Máy Năm thứ: 3/Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp
Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tài
TP Hồ Chí Minh, 14/2021
MỤC LỤC:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ..........................................................................5
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................5
1.2. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài..................................................5
1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan ................................................................5
1.4. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu ..............................................................5
1.5. Giới hạn đề tài .....................................................................................................6
1.6. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................6
1.7. Kế hoạch thực hiện .............................................................................................6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................7
2.1. Giới thiệu hệ thống .............................................................................................7
2.1.1. Yêu cầu hệ thống .........................................................................................7
2.1.2. Các phương án xây dựng hệ thống điều khiển .........................................7
2.2.3. Chọn lựa phương án tối ưu.........................................................................9
2.2. Các công cụ hỗ trợ ..............................................................................................9
2.2.1. Phần mềm thiết kế Inventor .......................................................................9
2.2.2. Phần mềm lập trình PLC – GS Works 2 ...................................................9
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH BỀN CỦA HỆ THỐNG ................10
3.1. Kết cấu sơ bộ của hệ thống ..............................................................................10
3.1.1. Bộ phận gắp................................................................................................10
3.1.2. Bộ phận tách ..............................................................................................11
3.1.3. Bộ phận đóng gói .......................................................................................11
3.2.4. Xe tự hành ..................................................................................................11
3.2. Các bộ phận, chi tiết của hệ thống ..................................................................12
3.3. Kiểm nghiệm độ bền trục.................................................................................14
3.3.1. Số liệu đầu vào ...........................................................................................14
3.3.2. Tính tốn kiểm nghiệm bộ truyền xích 1 ................................................16
3.3.3. Tính tốn kiểm nghiệm bộ truyền xích 2 ................................................18
3.3.4. Kiểm nghiệm độ bền của các trục ............................................................20
3.4. Kiểm nghiệm đồ bền và biến dạng của Khung máy ......................................33
3.4.1. Tải tĩnh của khung máy ............................................................................34
3.4.2. Tải động của khung máy...........................................................................36
3.5. Kết luận .............................................................................................................38
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG VÀ ĐÁNH GIÁ
.......................................................................................................................................39
4.1. Hệ thống điều khiển bộ phận gắp ...................................................................39
4.1.1. Sơ đồ khối bộ phận gắp .............................................................................39
4.1.2. Nguyên lý hoạt động bộ phận gắp ............................................................40
4.1.3. Lập trình điều khiển bộ phận gắp– PLC Mitsubishi FX3U ..................41
4.2. Hệ thống điều khiển bộ phận đóng gói ...........................................................50
4.2.1. Sơ đồ khối hệ thống đóng gói ...................................................................50
4.2.2. Nguyên lý hoạt động bộ phận đóng gói ...................................................51
4.2.3 Lập trình điều khiển bộ phận đóng gói – PLC Mitsubishi FX3U .........52
4.3. Đánh giá hệ thống .............................................................................................57
4.3.1. Ưu điểm của hệ thống ...............................................................................57
4.3.2. Nhược điểm của hệ thống .........................................................................57
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................58
5.1. Kết luận .............................................................................................................58
5.2. Hướng phát triển ..............................................................................................58
TÀI LIỆU KHAM KHẢO ..........................................................................................59
PHỤ LỤC .....................................................................................................................60
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các bộ phận, chi tiết của hệ thống ................................................................12
Bảng 3.1: Thông số động cơ bước.................................................................................14
Bảng 3.2: Thông số của động cơ, trục I, trục II.............................................................15
Bảng 3.3: Thơng số bộ truyền xích 1 ............................................................................17
Bảng 3.4: Thơng số bộ truyền xích 2 ............................................................................20
Bảng 3.5: Kết quả kiểm nghiệm tải trọng tĩnh trục I .....................................................21
Bảng 3.6: Kết quả kiểm nghiệm tải trọng tĩnh trục II ...................................................24
Bảng 3.7: Kết quả kiểm nghiệm tải trọng động trục I ...................................................27
Bảng 3.8: Kết quả kiểm nghiệm tải trọng động trục II..................................................30
Bảng 3.9: Kết quả kiểm nghiệm tải tĩnh ........................................................................34
Bảng 3.10: Kết quả kiểm nghiệm tải động ....................................................................36
Bảng 3.11: Kết quả mô phỏng phân tích khung máy ....................................................38
Bảng 4.1: Bảng cấp phát địa chỉ của bộ phận gắp .........................................................41
Bảng 4.2: Bảng cấp phát địa chỉ của bộ phận đóng gói ................................................52
i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CB
CTHT
KH-CN
NN
PLC
XL
Cảm biến
Cơng tắc hành trình
Khoa Học-Công Nghệ
Nông nghiệp
Programmable logic controller
Xy lanh
ii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Thiết Kế Mơ Hình Tự Động Hóa Hệ Thống Thu Hoạch Rau Thủy Canh
- Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Văn Trưởng
Mã số SV: 18104058
- Lớp: 181040B
Khoa: Cơ Khí Chế Tạo Máy
- Thành viên đề tài:
Stt
Họ và tên
MSSV
Lớp
Khoa
1
Lữ Hồng Khang
18104020
181040B
Cơ Khí Chế Tạo Máy
2
Lê Quốc Hiệp
18104011
181040B
Cơ Khí Chế Tạo Máy
- Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tài
2. Mục tiêu đề tài:
Thiết kế chế tạo hệ thống thu hoạch rau thủy canh hoàn toàn tự động nhằm cải thiện
và nâng cao năng suất thu được từ mơ hình ni trồng thủy canh: rút ngắn được thời
gian lao động, giảm chi phí, sức người, sức của.
3. Tính mới và sáng tạo:
Hiện nay, mơ hình “Ni trồng và canh tác rau thủy canh” đang dần thay thế các
phương pháp theo mơ hình cũ: chưa tối ưu được năng suất thu hoạch rau thủy canh. Tuy
nhiên mơ hình này vẫn chưa áp dụng các thiết bị, máy móc để tối ưu năng suất làm việc,
cho hiệu quả kinh tế vượt trội hơn. Vì vậy cần một quy trình cơng nghệ tự động và khép
kín để nâng cao được năng suất, rút ngắn thời gian cung ứng cho thị trường.
4. Kết quả nghiên cứu:
− Mơ hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh (bản vẽ 2D, 3D, Mơ
phỏng động,...).
− Bản thuyết minh hệ thống.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Thay đổi phương pháp sản xuất, canh tác truyền thống và đưa dần vào hệ thống kỹ
thuật hiện đại kết hợp với các yếu tố thời điểm, địa điểm nhằm mở rộng quy mơ, diện
tích và mức độ đầu tư.
iii
Hướng tới một nền nông nghiệp bền vững, thân thiệt với mơi trường, thích nghi với
sự biến đổi của các yếu tố môi trường ở hiện tại và trong tương lai. Giảm lao động nông
nghiệp, đẩy mạnh, nâng cao năng suất và chất lượng của lao động máy móc cũng như
các sản phẩm của dự án.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu
có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có): khơng
có
Ngày 13 tháng 10 năm 2021
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi):
Ngày 13 tháng 10 năm 2021
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)
iv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay nền Nơng nghiệp đang chuyển mình mạnh mẽ trong xu thế áp dụng các
công nghệ thông minh của Khoa học kỹ thuật. Tiêu biểu là hệ thống trồng rau thủy canh
tự động. Tuy nhiên đâu đó vẫn cịn nhiều hạn chế trong hệ thống này. Đó làm làm sao
để tối ưu hệ thống sản xuất, trong khi nguồn lao động nông nghiệp ngày càng giảm
mạnh, đặc biệt là trong khâu thu hoạch của q trình sản xuất.
1.2. Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài
Việc thiết lập một hệ thống tự động thu hoạch khép kín rau thủy canh là một giải pháp
đi trước, thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững, ổn định và bắt kịp nhịp độ phát triển
của KH-CN. Giải quyết được vấn đề thiếu hụt nhân lực xã hội, quan trọng hơn là dần
thay thế lao động của con người trong xã hội CN 4.0 hiện nay. Từ các yếu tố tác động
đã liệt kê trên chúng em thấy rõ được sự quan trọng và tính cấp thiết của đề tài.
1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan
Với tâm huyết cung cấp rau sạch cho mọi người dân, đội ngũ kỹ sư BKFast đã
phát triển dự án thủy canh tĩnh tại nhà. Bằng các thiết bị trồng rau đơn giản, gọn nhẹ đã
khắc phục được tối đa những nhược điểm so với trồng rau bằng thùng xốp. Có thể ứng
dụng mơ hình ở mọi nơi như hải đảo, miền núi, sân thượng,...[1]
Một nhóm gồm 6 sinh viên ở Đà Nẵng đã sản xuất ra hệ thống sản xuất rau thủy canh
bằng ứng dụng Greendy trên điện thoại thông minh. Hệ thống được sử dụng các thiết bị
đơn giản như máy bơm, các cảm biến thu thập thông tin về độ pH, nhiệt độ, mức nước,
môdun thu phát không dây được cài đặt để thu với điện thoại thông minh. [2]
1.4. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
Mục tiêu: Thiết kế chế tạo hệ thống thu hoạch rau thủy canh hoàn toàn tự động nhằm
cải thiện và nâng cao năng suất thu được từ mơ hình ni trồng thủy canh: rút ngắn được
thời gian lao động, giảm chi phí, sức người, sức của.
Phương pháp nghiên cứu:
− Đọc và kham khảo các tài liệu thiết kế máy
− Tham khảo các tài liệu liên quan đến trồng rau thủy canh
− Thực nghiệm chế tạo mô hình
5
1.5. Giới hạn đề tài
Hệ thống máy hoàn chỉnh sẽ được thiết vào 4 bộ phận chính là gắp, tách, đóng gói và
di chuyển. Tuy nghiên trong nghiên cứu này nhóm chỉ thiết kế và phát triển bộ phận
gắp, tách và đóng trong hệ thống máy thu hoạch rau thủy canh.
1.6. Nội dung nghiên cứu
− Chương 1: Tổng quan đề tài
− Chương 2: Cơ sở lý thuyết
− Chương 3: Thiết kế cơ khí và tính bền của hệ thống
− Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động và đánh giá
− Chương 5: Kết luận và hướng phát triển hệ thống
1.7. Kế hoạch thực hiện
− Thiết kế chi tiết mơ hình 3D, bản vẽ 2D, mơ phỏng hệ thống.
− Kiểm nghiệm độ bền, khả năng vận hành.
− Lập trình vận hành cho hệ thống (PLC).
− Bản thuyết minh hệ thống
6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giới thiệu hệ thống
2.1.1. Yêu cầu hệ thống
Để thu hoạch giàn rau thủy canh, hệ thống đòi hỏi phải hoạt động theo 3 phương cơ
bản (Hình 1.1) như sau:
− Phương x: máy (tay kẹp) được đưa đến gắp các rọ rau thủy canh đã xác định.
− Phương z: máy (bàn nâng) được đưa lên tầng rau kế tiếp để tiếp tục thu hoạch.
− Phương y: di chuyển máy (động cơ xe) đến vị trí tiếp theo cần thu hoạch rau.
Hình 1.1: Các phương chiều hoạt động của hệ thống
2.1.2. Các phương án xây dựng hệ thống điều khiển
a) Phương án 1:
− Sử dụng mạch điều khiển là Arduino
− Các Sensor sẽ được đặt ở tay kẹp để phát hiện được ví trí cần kẹp, và được đặt ở
các tầng của giàn thủy canh để bàn nâng dừng lại để tiến hành thu hoạch.
− Trục vít-me điều khiển lên xuống bàn nâng máy và động cơ xe được điều khiển
bằng động cơ bước.
Ưu điểm:
− Với mạch Arduino dễ dàng lập trình với hệ thống rất tinh vi cho phép quản lý
thiết bị tốt hơn.
− Các sensor hoạt động linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh phù hợp theo yêu cầu đặt ra.
− Điều khiển bằng động cơ bước và trục vit-me, tăng độ chính xác khi di chuyển
hệ thống máy theo yêu cầu thực hiện.
Nhược điểm:
7
− Mạch điều Arduino không phù hợp với yêu cầu tương tác với nhiều yêu cầu phần
cứng bên ngoài (trục vít-me, động cơ bước), yêu cầu các bước hoạt động của hệ
thống q nhiều, vì vậy phải viết tồn bộ phần mềm rất phức tạp.
− Sensor vào tay kẹp để phát hiện vị trí cần kẹp, nhưng thực tế sensor có thể phát
hiện rau trước khi phát hiện vị trí cần kẹp điều này làm cho máy hoạt động khơng
chính xác nữa.
− Chi phí cao.
b) Phương án 2:
− Sử dụng mạch điều khiển là PLC
− Chỉ sử dụng một sensor để động cơ xe nhận biết vị trí thu hoạch
− Trục vít-me điều khiển bàn nâng, tay kẹp và động cơ xe được điều khiển bằng
động cơ bước.
Ưu điểm:
− Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
− Thực hiện được các thuật tốn phức tạp và độ chính xác cao.
− Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.
− Cấu trúc dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng
chức năng khác
− Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công
nghiệp.
− Giao tiếp được với các thiết bị thơng minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền
thông với các thiết bị khác.
− Việc thực hiện bằng động cơ bước sẽ giúp cho máy hoạt động theo mong muốn
một cách chính xác hơn, tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ, dễ dàng lắp đặt và
thay thế, giá thành thấp.
8
Nhược điểm:
− Giá thành cao nhưng hiện nay đã giảm đáng kể.
− Phải có trình độ chun mơn cao để có thể sử dụng một cách thành thạo.
− Việc sử dụng động cơ bước sẽ xảy ra hiện tượng trượt bước do lực từ trên nam
châm vĩnh cửu đã yếu nên cho vị trí khơng chính xác hoặc nguồn điện cấp vào
khơng đủ. Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động.
2.2.3. Chọn lựa phương án tối ưu
Sau khi xem xét và đánh giá các phương án, nhóm nhận thấy phương án thứ 2 phù
hợp nhất cho hệ thống máy. Sau khi đã chọn được phương án tối ưu, nhóm đã triển khai
thiết kế hệ thống và lập trình hệ thống theo mục tiêu đã đặt ra.
2.2. Các công cụ hỗ trợ
2.2.1. Phần mềm thiết kế Inventor
- Thiết kế 3D hệ thống.
- Mô phỏng hoạt động của hệ thống.
- Phân tích khả năng chịu tải của hệ thống.
2.2.2. Phần mềm lập trình PLC – GS Works 2
- Viết code dưới dạng ngôn ngữ ladder cho hệ
thống hoạt động
- Mô phỏng kiểm tra hoạt động điều khiển của PLC
9
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH BỀN CỦA HỆ THỐNG
3.1. Kết cấu sơ bộ của hệ thống
Kết cấu của hệ thống gồm 4 bộ phận chính (Hình 2.1): bộ phận tách, bộ phận gắp, bộ
phận đóng gói, xe tự hành. Các bộ phận này thực hiện từng tính năng từ việc thu hoạch
rọ rau từ bộ phận gắp sau đó được đứa đến bộ phận tách để thực hiện công đoạn tách
rau ra khỏi rọ và đồng thời rau cũng sẽ được làm sạch tại bộ phận này. Sau đó rau sẽ
được đưa xuống cơng đoạn đóng gói và thành phẩm. Khi hệ thống thu hoạch tại một vị
trí hồn thành, xe tự hành sẽ di chuyển hệ thống sang vị trí mới để tiếp tục thu hoạch.
Hình 2.1: Các bộ phận chính của hệ thống
3.1.1. Bộ phận gắp
Bộ phận gắp (Hình 2.2) sử dụng 5 xy lanh kẹp để thu hoạch 5 rọ rau/1 lần thu hoạch,
kèm theo đó là động cơ bước và con trượt hỗ trợ đưa các xy lanh kẹp từ trong ra ngoài
để có thể thu hoạch rau và rau sau khi thu hoạch được di chuyển lên bộ phận tách bằng
băng truyền và xích nâng. Trình tự thu hoạch rau được thiết kế thu hoạch từ dưới lên
trên sau đó là từ trên xuống dưới nhờ vào bộ truyền xích và thanh trượt giúp nâng hạ bộ
phận gắp dễ dàng và ổn định.
Hình 2.2: Bộ phận gắp
10
3.1.2. Bộ phận tách
Sau khi rọ rau từ được đưa đến bộ phận tách (Hình 2.3) ở cơng đoạn này rọ rau sẽ
được đưa vào bàn xoay trên để thực hiện quá trình tách rọ bằng xy lanh sau và được làm
sạch bằng nước. Trong quá trình làm sạch, nước sẽ qua các lưới lọc trở vệ bộ lọc và
được tái sử dụng. Rau sau khi làm sạch sẽ xuống bàn xoay dưới để chuẩn bị chuyển
xuống bộ phận đóng gói. Các rọ rau sau khi tách sẽ được xếp vào hộp đựng rọ.
Hình 2.3: Bộ phận tách
3.1.3. Bộ phận đóng gói
Sau khi rọ rau từ được đưa đến bộ phận tách (Hình 2.4) ở cơng đoạn này xy lanh đẩy
sẽ có nhiệm vụ lấy túi đóng gói từ thùng đóng gói và được xy lanh nâng lên sau đó xy
lanh đẩy sẽ mở túi đóng gói nhờ vào các giác hút. Lúc này rau sẽ được đưa vào túi đóng
gói quá máng trượt và được chuyển xuống thùng đựng sản phẩm.
Hình 2.4: Bộ phận đóng gói
3.2.4. Xe tự hành
Sau khi hệ thống hồn thành một quy trình thu hoạch xe tự hành (Hình 2.5) sẽ đưa hệ
thống di chuyển đến vị trí tiếp theo để tiếp tục thu hoạch.
Hình 2.5: Bộ phận đóng gói
11
3.2. Các bộ phận, chi tiết của hệ thống
Bảng 2.1: Các bộ phận, chi tiết của hệ thống
STT
Tên
Vật liệu
SL
Ghi chú
01
Bánh xe d200
04
Cao su
Đỡ khung máy
02
Khung xe M10NTT
04
Thép
2 xoay, 2 tịnh tiến
03
Xe tự hành
01
04
Khung máy
01
Thép vuông 25x25
05
Gối đỡ trục d8
06
Hợp kim gang
06
Ống chụp phi 140
02
Nhựa pvc
07
Ống nước d40
01
Nhựa pvc
08
Bu long, Đai ốc M5
32
09
Khung nâng rọ
16
10
Xích tai gá WK-1
01
11
Bộ lọc rửa
01
12
Trục D8x150mm
03
13
Động cơ xích nâng rọ
01
14
Gối đỡ trục D12
04
15
Piston lấy rọ
01
Số Hiệu: MHC2-16
16
Động cơ giảm tốc
01
Số Hiệu: JGY370 160rpm
17
Khớp nối trục D12
01
18
Gối đỡ trục D14
03
Hợp kim gang
19
Trục trơn D14x720mm
02
Thép
20
Bộ phận tách
01
21
Máng trượt a
01
22
Cốc hút f26
05
23
Giác hút chân khơng M10
05
24
Nẹp vng góc 30x30
02
25
Thùng đựng bao bì
01
26
Bộ phận gắp
01
27
Động cơ bước
01
Dài 400mm
Thép
Số hiệu: 57HS7630A4
Mica
Số hiệu:57BYGH311-01
12
28
Thanh trượt
02
29
Thùng đựng sản phẩm
01
30
Ống thép D5
03
31
Đĩa xích nâng lớn
07
Số hiệu: 40B13
32
Đĩa xích nâng nhỏ
04
Số hiệu: 40B25
33
Khung đỡ bộ truyền xích
02
34
Máng trượt b
01
35
Hộp đựng rọ
01
36
Thanh lắp giác hút 1
01
Mica
Lắp vào xy lanh
37
Thanh lắp giác hút 2
01
Mica
Gắp vào thùng đóng gói
38
Đai ốc M10
04
39
Đai ốc M26
01
40
tay tách rọ
01
41
Khớp nối sống phi 27
01
42
Xy lanh TN20x90
02
43
Máy bơm 12V 5A
01
44
nắp chụp phi 160
02
Nhựa pvc
45
Ống nước phi 160
01
Nhựa pvc
46
Thanh cố định khung với xe
03
Thép
Inox
Dài 400mm
13
3.3. Kiểm nghiệm độ bền trục
3.3.1. Số liệu đầu vào
Trong quá trình máy hoạt động hệ thống máy sẽ chịu tác động của 2 trục làm việc có
nhiệm vụ nâng hạ bệ nâng để thu hoạch rau (Hình 3.1). Qua đó tải trọng của 2 trục này
có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống máy. Vì vậy cần kiểm nghiệm độ bền của 2 trục này
đảm bảo hệ thống máy hoạt động an tồn.
Hình 3.1 Phân tích các trục làm việc của máy thu hoạch thủy canh
Số liệu đầu vào:
− Trục chịu tải trọng vật: 10kg
− Chiều cao tối đa khi nâng vật: 1.3m
− Động cơ bước:
Bảng 3.1: Thông số động cơ bước
Số hiệu: 57BYGH311-01
Điện áp và dịng điện
3.6V/3A
Mơ-men xoắn
1900N.mm
Trục đường kính
8mm
Trọng lượng
1.1Kg
Góc bước
1.8o
5%
Chọn số vịng quay trục động cơ nđc= 300 vịng/phút
➔ Cơng suất động cơ: Pdc= (Tđc.nđc)/(9,55.10^6) = 0,059kW
14
Hiệu suất của các bộ truyền tra bảng 2.3 trang 19 [1] ta có:
− ŋx = 0,92 - hiệu suất bộ truyền xích (để hở)
− ŋol = 0,99 - hiệu suất truyền của 1 cặp ổ lăn
Chọn tỉ số truyền bộ truyền xích:
− Tỉ số truyền của bộ truyền xích 1: ux1= 2
− Tỉ số truyền của bộ truyền xích 2: ux2= 1
Tính tốn số vịng quay qua các trục:
− Số vòng quay qua trục động cơ: nđc=300 vòng/phút
− Số vòng quay trục I: n1= nđc/ux1= 300/2 = 150 vòng/ phút
− Số vòng quay trục II: n2= n1/ ux2 = 150/1 = 150 vịng/phút
Tính tốn cơng suất trên các trục:
− Công suất của trục động cơ: Pđc= 0,059kW
− Công suất của trục I: P1= Pđc/ (ŋx. ŋol)= 0,059/ (0,92.0,99)= 0,064kW
− Công suất của trục II: P2 = P1/ (ŋx. ŋol)= 0,064/(0,92.0,99)= 0,07kW
Tính tốn momen xoắn trên các trục:
− Momen xoắn trên trục động cơ: Tđc= 1900N.mm
− Momen xoắn trên trục I: T1 = (9,55.10^6.P1)/n1= (9,55.10^6.0,064)/150=
4074,66N.mm
− Momen xoắn trên trục II: T2= (9,55.10^6.P2)/n2= (9,55.10^6.0,07)/150=
4456,66N.mm
Bảng 3.2: Thông số của động cơ, trục I, trục II
Trục
Động cơ
Trục I
Trục II
0,059
0,064
0,07
Thông số
Công suất P (kW)
Tỉ số truyền u
ux1 = 2, ux2 = 1
Số vòng quay n (vg/ph)
300
150
150
Momen xoắn T (N.mm)
1900
4074,66
4456,66
15
3.3.2. Tính tốn kiểm nghiệm bộ truyền xích 1
Truyền từ trục động cơ đến trục I
Thông số ban đầu:
− Tốc độ quay trên trục đĩa xích dẫn: n1=nđc=300 vịng/phút
− Cơng suất trên trục đĩa xích dẫn: P1=Pđc= 0,059 kW
− Tỉ số truyền: ux1= 2
− Momen xoắn: T=Tđc= 1900N.mm
− Điều kiện làm việc: Tải trọng không đổi, quay 2 chiều
− Thời gian làm việc 5 năm (300 ngày/ năm; 2 ca/ngày; 6 giờ/ca )
− Chọn loại xích: xích ống con lăn
− Các thơng số của xích: Z1 = 13, Z2= 25.
− Bước xích: pc= 12,7 mm
− Đường kính đĩa xích nhỏ: d1= 53,07mm
− Đường kính đĩa xích lớn; d2= 101,33mm
Tính tốn sơ bộ:
− Khoảng cách trục sơ bộ a=(30-50).pc= (381;635) chọn a= 382mm
− Xác định số mắt xích X=
(25−13)2 ×12,7
4𝜋 2 ×382
2𝑎
pc
+
𝑧1 +𝑧2
2
+
(𝑧2 −𝑧1 )2 pc
4𝜋 2 𝑎
=
2.382
12,7
+
13+25
2
+
= 79.2
− Chọn X= 80
Khoảng cách trục theo số mắt xích:
a = 0,25. pc.{x − 0,5(𝑧2 + 𝑧1 ) + √[𝑥 − 0,5(𝑧2 + 𝑧1 )]2 − 2[(𝑧2 − 𝑧1 )/𝜋]2 }
25−13 2
=0,25.12,7. {80 − 0,5(13 + 25) + √[80 − 0,5(13 + 25)]2 − 2 [
𝜋
] }
= 386.5mm ➔ a= 387mm
Để xích khơng chịu lực căng quá lớn, giảm a một lượng bằng:
Δa = 0,004a ≈ 1.548mm, do đó a = 385mm =0.385m
Kiểm nghiệm xích về độ bền [(5.15)/85/[1]]
𝑆=
𝑄
𝑘đ .𝐹𝑡 +𝐹𝑜 +𝐹𝑣
≥ [𝑆]
Trong đó:
− Q = 18.2 (kN)= 18200N tải trọng phá hỏng, tra bảng 5.2/78/[1] với pc = 12.7)
16
− kđ = 1 hệ số tải trọng (trang 85)
− Khối lượng 1 mét xích : q=0,75 Kg
− Lực vịng 𝐹𝑡 =
1000.𝑃
𝑣
=
1000×0,059
0.511
= 115.46 N
− Lực căng do lực ly tâm sinh ra: 𝐹𝑣 = 𝑞. 𝑣 2 = 0,75 . 0,82552 = 0.511 N
Với v =
𝑧1 .𝑛1. 𝑝
60000
=
13.300.12,7
60000
= 0.8255 m/s
Lực căng do trọng lượng nhánh xích bị dẫn, lực căng ban đầu theo công thức 5.16
Fo = 9,81.k f .q.a
Trong đó:
− a = 385 mm = 0,385m
− kf =2
− q = 0.75kg khối lượng 1m xích tra bảng 5.2
− kđ = 1, tải trọng chịu va đập nhẹ
𝐹𝑜 = 9,81.1.0,75.0,385 = 2.83 𝑁
Hệ số an toàn: S =
18200
2.115,46+2,83+0,511
= 77.7
Theo bảng 5.10 trang 86 với p = 12.7mm, n01 = 400vp/ph [ S ] = 8.5
Vậy S = 77.7 > [S] = 9,3: bộ truyền xích đảm bảo độ bền.
Lực tác dụng lên trục động cơ: (5.20/90/[1]) Kx =1
Frđc = Kx . Ft = 1. 115.46 = 115.46 N
Bảng 3.3: Thơng số bộ truyền xích 1
Thơng số
Tỉ số truyền
Kí hiệu
Đơn vị
Trị số
u
2
Xích ống con lăn
Loại xích
Bước xích
pc
12.7
mm
Khoảng cách trục
a
385
mm
Số răng đĩa xích nhỏ
Z1
13
răng
Số răng đĩa xích lớn
Z2
25
răng
Đường kính vịng chia đĩa xích nhỏ
d1
53.07
mm
Đường kính vịng chia đĩa xích lớn
d2
101.33
mm
Số dãy xích
z
Lực tác dụng lên trục động cơ
Fr1
1
115.46
N
17
3.3.3. Tính tốn kiểm nghiệm bộ truyền xích 2
Truyền từ trục I đến trục II
Thông số ban đầu:
− Tốc độ quay trên trục đĩa xích dẫn: n1=n1=150 vịng/phút
− Cơng suất trên trục đĩa xích dẫn: P1=Pđc= 0.064 kW
− Tỉ số truyền: ux1= 1
− Momen xoắn: T=Tđc= 4074,66N.mm
− Điều kiện làm việc: Tải trọng không đổi, quay 2 chiều
− Thời gian làm việc 5 năm (300 ngày/ năm; 2 ca/ngày; 6 giờ/ca )
− Chọn loại xích: xích ống con lăn
− Các thơng số của xích: Z1 = 25; Z2= 25
− Bước xích: pc= 31,75
− Đường kính đĩa xích nhỏ: d1= 101,33mm
− Đường kính đĩa xích lớn; d2= 101,33mm
Tính tốn sơ bộ:
− Khoảng cách trục sơ bộ a=(30-50).pc= (952,5;1587,5) chọn a= 1535mm
− Xác định số mắt xích X=
(25−25)2 ×31,75
4𝜋 2 ×1535
2𝑎
pc
+
𝑧1 +𝑧2
2
+
(𝑧2 −𝑧1 )2 pc
4𝜋 2 𝑎
=
2.1535
31,75
+
25+25
2
+
= 121,69
− Chọn X= 122
Khoảng cách trục theo số mắt xích:
a = 0,25. pc.{x − 0,5(𝑧2 + 𝑧1 ) + √[𝑥 − 0,5(𝑧2 + 𝑧1 )]2 − 2[(𝑧2 − 𝑧1 )/𝜋]2 }
25−25 2
=0,25.31,75. {122 − 0,5(25 + 25) + √[122 − 0,5(25 + 25)]2 − 2 [
𝜋
] }
= 1540 mm
Để xích khơng chịu lực căng q lớn, giảm a một lượng bằng:
Δa =(0,002-0,004)a, do đó chọn a = 1537mm =1,537m
Kiểm nghiệm xích về độ bền [(5.15)/85/[1]]
𝑆=
𝑄
𝑘đ .𝐹𝑡 +𝐹𝑜 +𝐹𝑣
≥ [𝑆]
Trong đó:
− Q = 88,5 (kN)= 88500N tải trọng phá hỏng, tra bảng 5.2/78/[1] với pc = 31.75)
18
− kđ = 1 hệ số tải trọng (trang 85)
− Khối lượng 1 mét xích : q=3.8 Kg
− Lực vịng 𝐹𝑡 =
1000.𝑃
=
𝑣
1000×0,064
1,98
= 32,32 N
− Lực căng do lực ly tâm sinh ra: 𝐹𝑣 = 𝑞. 𝑣 2 = 3,8 . 1,982 = 14,9 N
Với v =
𝑧1 .𝑛1. 𝑝
60000
=
25.150.31,75
60000
= 1,98 m/s
Lực căng do trọng lượng nhánh xích bị dẫn, lực căng ban đầu theo công thức 5.16
Fo = 9,81.k f .q.a
Trong đó:
− a = 1537 mm = 1,537m
− kf =2 (trang85)
− q = 3,8kg khối lượng 1m xích tra bảng 5.2
− kđ = 1, tải trọng chịu va đập nhẹ
𝐹𝑜 = 9,81.1.3,8.1,537 = 57,3 𝑁
Hệ số an toàn: S =
88500
2.32,32+57,83+14,9
= 644,24
Theo bảng 5.10 trang 86 với p = 31,75mm, n01 = 150vòng/ph [ S ] = 8.5
Vậy S = 644,24 > [S] = 9,3: bộ truyền xích đảm bảo độ bền.
Lực tác dụng lên trục I và trục II:
− Fr1 = Kx . Ft + P = 80+100= 180N
− P trọng lực khung vật nâng: P=mg=10x10=100N
1000.𝑃1
trong đó: 𝐹𝑡 =
𝑣1
=
1000×0,064
0.8
= 80 N
− P1 là công suất trục I: P1= 0,064kW
− n1 là số vòng quay trục I: n1= 150 vòng/phút
− Với v =
𝑧2 .𝑛1. 𝑝
60000
=
25.150.12,7
60000
= 0.8 m/s
19
Bảng 3.4: thơng số bộ truyền xích 2
Thơng số
Kí hiệu
Trị số
Tỉ số truyền
u
1
Đơn vị
Xích ống con lăn
Loại xích
Bước xích
pc
31,75
mm
Khoảng cách trục
a
1537
mm
Số răng đĩa xích nhỏ
Z1
25
răng
Số răng đĩa xích lớn
Z2
25
răng
Đường kính vịng chia đĩa xích nhỏ
d1
101,33
mm
Đường kính vịng chia đĩa xích lớn
d2
101.33
mm
Số dãy xích
z
1
Lực tác dụng lên trục
Fr
180
N
3.3.4. Kiểm nghiệm độ bền của các trục
− Chiều dà trục: 720mm
− Đường kính: 14mm
− Vật liệu: Thép C45
− Giới hạn bền cho phép: 610 Mpa
− Hệ số an toàn của thép: [s] = 1.5. Thơng thường [s] = 1.5 ÷ 2.5 (khi tăng độ cứng:
[s] = 2.5 ÷ 3, như vậy khơng cần kiểm nghiệm về độ cứng trục)
Ở kiểm nghiệm đồ bền trục nhóm sẽ sử dụng phần mềm inventor để mơ phỏng và
phân tích lực tác dụng lên trục từ đó xem xét giới hạn bền, chuyển vị, hệ số an tồn của
các trục từ đó đưa ra kết luận trục có đảm bảo độ bền hay khơng.
20
3.3.4.1. Kiểm nghiệm tải trọng tĩnh của trục
Trục I:
Hình 3.2. Phân bố lực tải trọng tĩnh tác dụng lên trục I
Hình 3.3. Kết quả phân tích kiểm nghiệm giới hạn bền tải trọng tĩnh trục I
Bảng 3.5: Kết quả kiểm nghiệm tải trọng tĩnh trục I
Phản lực
Tại A
Tại C1
Theo phương (X,Y,Z) Phản lực
Theo phương (X,Y,Z)
Ax= 0 N
C2x= 0 N
Ay= 111.185 N
C1x= 0 N
C1y= 68.815 N
Tại C2
Tại E
C2y= 68.815 N
E1x= 0 N
E2y= 111.185 N
Giới hạn bền lớn nhất 148.8 MPa < 610MPa thỏa điều kiện
21
a) Biểu đồ nội lực tải trọng tĩnh trục I
22
