BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài Ứng dụng lý thuyết thiết kế theo tiên đề và.
THÔNG TIN CHUNG
Thông tin tổng quát
1.1 Tên đề tài: Ứng dụng lý thuyết thiết kế theo tiên đề và phương pháp Taguchi vào thiết kế và tối ưu hóa thiết bị băm chai nhựa
1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài
Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH Công Nghiệp TP
Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH Công Nghiệp Tp
Khoa Cơ Khí, ĐH Đà Nẵng, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng
Lớp DHCT13A, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Lớp DHCT13B, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Lớp DHCT13B, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Lớp DHCT13B, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Lớp DHCT13B, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
Lớp DHCT13B, Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH
Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh
1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công Nghệ Cơ Khí, ĐH Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh 1.5 Thời gian thực hiện:
1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 03 năm 2022
1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…
1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 03 năm 2022
1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý)
1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 94 triệu đồng.
Kết quả nghiên cứu
1 Đặt vấn đề Đề tài nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm một thiết bị băm chai nhựa dùng phương pháp thiết kế theo tiên đề kết hợp với phương pháp Taguchi Đồng thời, biên dạng dao băm cũng được nghiên cứu và tối ưu hóa dùng một phương pháp tối ưu hóa kép, kết hợp giữa mảng trực giao và phương pháp bề mặt đáp ứng Đầu tiên, những công trình nghiên cứu trên thế giới dùng lý thuyết thiết kế theo tiên đề (ADT) được tổng hợp và phân tích, cả về phạm vi áp dụng và những ưu nhược điểm Sau khi những lợi ích mà ADT có thể mang lại cho việc thiết kế nói riêng và nghiên cứu khoa học nói chung được hiểu rõ, lý thuyết ADT được chuyển ngữ, biên dịch từ sách gốc của tác giả Theo đó, thiết kế theo tiên đề là xem xét thiết kế một cách khoa học, để từ đó cung cấp một khung nền cơ bản để hiểu các hoạt động thiết kế Sau đó, lý thuyết ADT được vận dụng để thiết kế một thiết bị băm chai nhựa cũng như phân tích và khắc phục những lỗi thiết kế Ở bước tiếp theo, các thông số hình dạng hình học của dao băm được tối ưu hóa dùng phương pháp Taguchi, RSM Cuối cùng, phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm được sử dụng để nghiên cứu, xem xét những đặc tính
2 Mục tiêu a) Mục tiêu tổng quát Áp dụng kết hợp phương pháp thiết kế theo tiên đề, cụ thể là tiên đề 1, và tối ưu hóa Taguchi vào một thiết bị cụ thể b) Mục tiêu cụ thể
- Thiết kế và khảo nghiệm được một thiết bị băm chai nhựa
- Xây dựng được biên dạng tối ưu của dao băm
3 1 Nội dung 1: Tổng quan về chai nhựa có thể tái chế
- Cách tiếp cận: Tìm kiếm và thu thập các tài liệu tham khảo (TLTK)
- Kết quả: Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản
3 2 Nội dung 2: Một vài điểm chính về việc tái chế nhựa
- Cách tiếp cận: Tìm kiếm và thu thập các TLTK
- Kết quả: Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản phân tích tổng quan
3 3 Nội dung 3: Tổng quan về máy băm nhựa hiện có trên thị trường
- Cách tiếp cận: Tìm kiếm và thu thập các TLTK
- Kết quả: Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản phân tích tổng quan.
3 4 Nội dung 4: Tổng quan về phương pháp thiết kế theo tiên đề ADT
- Cách tiếp cận: Tìm kiếm và thu thập các TLTK
- Kết quả: Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản phân tích tổng quan về phương pháp
3 5 Nội dung 5: Thiết kế máy theo phương pháp ADT
- Cách tiếp cận: Ánh xạ giữa các miền
- Kết quả: Giản đồ ánh xạ, bản vẽ thiết kế.
3 6 Nội dung 6: Chế tạo thiết bị băm chai nhựa
- Cách tiếp cận: Quy trình công nghệ
- Kết quả: Thiết bị băm chai nhựa
3 7 Nội dung 7: Thực nghiệm thiết bị băm chai nhựa và khắc phục lỗi nếu có
- Cách tiếp cận: Quy hoạch thực nghiệm
- Kết quả: Bảng số liệu vận hành thiết bị.
3 8 Nội dung 8: Tổng quan về phương pháp Taguchi, ANOVA
- Cách tiếp cận: Tối ưu hóa
- Kết quả: Tập hợp các tư liệu ở dạng văn bản
3 9 Nội dung 9: Phân tích mô phỏng kết cấu dao băm
- Cách tiếp cận: Phương pháp phần tử hữu hạn, Comsol
- Kết quả: Kết quả mô phỏng, phân tích.
- Kết quả: Thông số tối ưu của biên dạng dao băm
3 11 Nội dung 11: Vận hành máy dùng dao ban đầu và dao tối ưu
- Cách tiếp cận: Vận hành máy
- Kết quả: Thông số tối ưu của biên dạng dao băm.
3 12 Nội dung 12: Phân tích số liệu và viết bài báo, báo cáo
- Cách tiếp cận: Sử dụng những kết quả đã làm được ở nội dung các bước trên
- Kết quả: Bộ số liệu thử nghiệm và các phân tích đánh giá; các bài báo, báo cáo
4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu
TỔNG QUAN
1.1.1 Tình hình ô nhiễm do rác thải nhựa
Ô nhiễm rác thải nhựa trên thế giới hiện đang nhận được sự quan tâm lớn và được đề cập rất nhiều về cách xử lý rác thải nhựa Theo thống kê toàn cầu, mỗi năm thế giới thải ra gần 300 triệu tấn rác thải nhựa, gần bằng trọng lượng của toàn bộ dân số thế giới Tại Việt Nam, mỗi năm thải khoảng 1,8 triệu tấn rác thải nhựa, trong đó có 0,28–0,73 triệu tấn rác thải ra biển, chiếm khoảng 6% tổng lượng rác thải nhựa ra biển của toàn cầu Mỗi ngày, hai thành phố lớn là Hồ Chí Minh và Hà Nội thải ra gần 80 tấn nylon và nhựa Với tình trạng hiện tại, nếu Việt Nam không kiểm soát lượng rác thải nhựa thì sớm muộn nước ta sẽ chìm trong biển chất thải nhựa và đối mặt với nguy cơ ô nhiễm trắng nghiêm trọng Nước ta hiện nay gặp nhiều hạn chế trong xử lý rác thải nhựa: tới 90% được xử lý bằng chôn lấp hoặc đốt và chỉ khoảng 10% được tái chế Quy trình tái chế và xử lý chất thải nhựa ở nước ta chưa được phát triển, quy mô còn nhỏ lẻ, chủ yếu do các doanh nghiệp nhỏ Những tổ chức này còn lạc hậu về công nghệ, vốn đầu tư ít, thiếu quy trình và kế hoạch, khiến hiệu quả còn rất hạn chế Bên cạnh đó, người dân còn ý thức kém về phân loại rác tại nguồn, gây nhiều khó khăn cho việc phân loại, xử lý và tái chế.
1.1.2 Các phương pháp xử lý rác thải nhựa
Trong các phương thức tiêu hủy và xử lý rác thải rắn, chôn lấp là biện pháp đơn giản và khá phổ biến ở cả thế giới và Việt Nam, phù hợp với khối lượng rác lớn và cơ sở hạ tầng chưa phát triển Trên toàn cầu, phương pháp này được áp dụng rộng rãi tại nhiều nước như một phần của hệ thống quản lý chất thải, nhưng đi kèm với các thách thức về môi trường nếu không tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh và công nghệ xử lý phù hợp Ở Việt Nam, chôn lấp vẫn đóng vai trò quan trọng trong quản lý chất thải rắn, song đang được cải tiến thông qua chôn lấp hợp vệ sinh và tích hợp với tái chế, phân loại tại nguồn để tăng hiệu quả và giảm tác động đến môi trường.
Phương pháp chôn lấp rác thải nhựa không phù hợp với đặc tính của nhiều loại nhựa có thời gian phân hủy kéo dài từ vài mươi năm đến hàng trăm năm, khiến việc chôn lấp trở nên ít khả thi và mang lại nhiều tác hại cho môi trường Tuy vậy, ở Việt Nam vẫn còn tồn tại nhiều nơi áp dụng phương pháp này, phần lớn do thiếu kiến thức về xử lý rác thải nhựa và thói quen xử lý chưa thay đổi.
Hình 1.1: Chôn lấp rác thải nhựa [2]
Phương pháp thiêu đốt là biện pháp dùng nhiệt độ cao (850-1000°C) để phân hủy nhựa, được minh họa như hình 1.2 Ưu điểm của phương pháp này là làm giảm thể tích chất thải phải chôn lấp Tuy nhiên, việc đầu tư, vận hành nhà máy đốt rác thải nhựa có chi phí khá cao, chỉ thích hợp với các nước phát triển và tiên tiến.
Đốt rác thải nhựa có thể tạo ra nguồn năng lượng phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp, như sản xuất điện và biến rác thành các nguyên liệu vật liệu có giá trị Tuy nhiên, quá trình này cần kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo không gây tác hại đến môi trường và sức khỏe cộng đồng Để tối đa hóa lợi ích và giảm thiểu rủi ro, cần áp dụng công nghệ xử lý khí thải tiên tiến, quản lý chất thải hiệu quả và tuân thủ các chuẩn môi trường nghiêm ngặt, qua đó chuyển đổi rác nhựa thành nguồn năng lượng bền vững và nguyên liệu vật liệu có ích cho nền kinh tế xanh.
Phương pháp thiêu đốt rác thải nhựa cho năng suất cao đi kèm với yêu cầu xử lý khí thải nghiêm ngặt và hệ thống hiện đại tiên tiến, nên chi phí đầu tư cho một nhà máy khá cao Đối với Việt Nam, một nước đang phát triển, mô hình này vẫn còn đắt đỏ và hạn chế Hiện nay, một số tỉnh thành ở Việt Nam đã ứng dụng phương pháp đốt nhưng chủ yếu chỉ để xử lý rác thải nguy hiểm.
Hình 1.2: Đốt rác thải nhựa [2]
Phương pháp tái chế nhựa được xem là cách xử lý rác thải nhựa phổ biến và được ưu tiên hàng đầu hiện nay Nhờ tái chế, chất thải nhựa có thể được tận dụng để sản xuất các sản phẩm mới và nguyên liệu nhựa có ích cho nhiều ngành công nghiệp Quá trình tái chế nhựa thường bao gồm nghiền, băm nhỏ nhựa thành hạt hoặc bột để phục vụ sản xuất nhựa mới hoặc làm nguyên liệu cho các sản phẩm khác, như minh họa trong hình 1.3.
Phương pháp tái chế nhựa được xem là tối ưu cho xử lý rác thải nhựa, bởi nó thân thiện với môi trường và giảm thiểu tác động so với chôn lấp hay thiêu đốt rác thải nhựa Trên thế giới có nhiều mô hình tái chế nhựa được triển khai, cho thấy tái chế nhựa được chú trọng hàng đầu và mang lại lợi ích lớn cho bảo vệ môi trường Tuy vậy, tại nước ta quá trình xử lý tái chế nhựa gặp khó khăn chủ yếu do rác thải nhựa chưa được phân loại tại nguồn, khiến công tác phân loại và thu hồi vật liệu gặp nhiều thách thức và ảnh hưởng đến hiệu quả tái chế.
1.2 Các mô hình và quy trình tái chế nhựa
1.2.1 Các mô hình tái chế nhựa
Các mô hình tái chế nhựa nổi bật trên thế giới
Công viên tái chế tại Rotterdam, Hà Lan
Sau 5 năm gây quỹ và nghiên cứu tháng 8 năm 2018, Quỹ Recycled Island Foundation và 25 đối tác liên quan đã cho ra mắt công viên nổi trên mặt nước như hình 1.4 Công viên tái chế được tạo thành hoàn toàn từ nhựa và rác thải trôi nổi trên sông Khung cảnh sông Maaso ở Rotterdam được tái hiện nhờ số ô tròn lục giác được tạo thành từ nhựa tái chế mà công viên thu được Những nền nổi lục giác này được thiết kế chế tạo để làm giảm sự ô nhiễm của chất thải nhựa Bên cạnh đó, chúng cũng tạo ra môi trường sinh sống cho các sinh vật, thực vật phát triển cả trên và dưới bề mặt nước Từ đó tạo nguồn thức ăn lý tưởng cho sinh vật biển giảm thiểu sự ô nhiễm các dòng sông [3]
Hình 1.4: Công viên tái chế [3]
Mô hình MR6 tại Cumbira, Anh
Kỹ sư McCartney tại Anh hợp tác với các chuyên gia Scotland để nghiên cứu, thử nghiệm và tái chế nhựa thành vật liệu mới mang tên MR6 Ý tưởng được hình thành khi ông quan sát người dân Ấn Độ đốt nhựa để lấp ổ voi, ổ gà trên đường đi Mô hình χρησιμοποι (giả) sử dụng chất thải công nghiệp và nhựa phế liệu làm nguyên liệu, từ đó hình thành thảm đường hình 1.5 Con đường được cho là có chất lượng tốt hơn đến 60% và tuổi thọ có thể gấp 10 lần so với các tuyến đường thông thường hiện nay Mô hình này đã được áp dụng đầu tiên trên trang trại của McCartney và sau đó trên một tuyến đường tại quận Cumbria, Anh [3].
Nga áp dụng công nghệ biến rác thải thành xăng dầu
Các nhà nghiên cứu người Nga đã ứng dụng công nghệ nhiệt phân trong môi trường yếm khí để tái chế nhựa và tạo ra nguyên liệu nền cho xăng dầu Quá trình này làm nóng nhựa ở nhiệt độ thích hợp, phá vỡ liên kết phân tử và nguyên tử, chuyển đổi chất thải thành dạng khí rồi ngưng tụ thành chất lỏng là xăng dầu Theo chuyên gia, công nghệ này được xem là thân thiện với môi trường vì không thải ra các chất gây hại ra môi trường xung quanh.
Hình 1.6: Hệ thống xử lý rác thải nhựa để thu hồi xăng dầu [3]
Mô hình "mượn chai nước" được áp dụng tại Na Uy
Quốc gia được xem như là đi đầu trong việc tái chế chất thải nhựa đó là Na
Uy tín của khu vực này được thể hiện qua tỷ lệ tái chế nhựa lên tới 97% theo các báo cáo khảo sát ghi nhận Điều làm nên con số ấn tượng này là họ đã áp dụng một mô hình quản lý chu trình tái chế hiệu quả, kết hợp phân loại chất thải tại nguồn, công nghệ tái chế tiên tiến và hệ thống khuyến khích sự tham gia của cộng đồng Mô hình này tối ưu hóa quy trình thu hồi, giảm thất thoát nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm từ nhựa tái chế, mang lại lợi ích kinh tế và bền vững cho môi trường.
Chính sách “mượn chai nước” được mô tả như sau: người tiêu dùng mua chai nước bằng nhựa và sẽ được hoàn lại phí 13-30 cent (tương đương 3.000-7.000 đồng) khi trả lại chai tại các máy tự động được bố trí quanh phố Đặc biệt, chỉ cần quét mã vạch trên chai nhựa, số tiền hoàn trả sẽ tự động chuyển vào tài khoản của người tiêu dùng Để khuyến khích bảo vệ môi trường, các cửa hàng tiện lợi đang triển khai chương trình tích điểm thưởng hoặc trả tiền mặt khi khách hàng trả lại chai nước đã dùng [3].
Hình 1.7: Điểm quét mã vạch vỏ chai nhựa ở Na Uy [3]
Ở Áo, một công ty đã ứng dụng công nghệ sinh học tiên tiến để tái chế nhựa PET bằng enzyme từ một loại nấm, enzyme này phân hủy PET thành các phân tử có kích thước 1.8 và sau đó các phân tử này được đưa qua quy trình xử lý nghiêm ngặt để chuyển thành nhựa chất lượng cao Theo các chuyên gia quốc tế, giải pháp mà Áo mang đến có thể thay đổi đáng kể môi trường của đất nước này Một lựa chọn khác được các nhà bảo vệ môi trường đề xuất là dùng enzyme "ăn nhựa" để tái chế PET thay vì các phương pháp đốt cháy, chôn lấp chất thải gây hại cho môi trường như thông thường.
Hình 1.8: Vi khuẩn phân hủy các sản phẩm nhựa [3]
1.2.2 Quy trình tái chế nhựa
Hình 1.9: Xử lí rác thải nhựa[3]
Qua hình 1.9, rác thải nhựa có thể được xử lý theo hai hướng: tái chế và chuyển nhựa không thể tái chế thành năng lượng Ở nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung phân tích cụm nhựa có thể tái chế và dựa trên kết quả đúc kết, đưa ra quy trình xử lý nhựa có thể tái chế như sau:
Quy trình tái chế nhựa phế liệu bao gồm 6 bước hình 1.10 và hình 1.11:
Bước 1: Thu gom các loại nhựa từ các đơn vị cơ quan, cơ sở cung cấp có nhu cầu thanh lý phế liệu
Bước 2: Nhựa sau khi được thu gom, mua về cần được sàng lọc thành từng nhóm
Bước 3: Những mảnh nhựa, hạt nhựa nhỏ sẽ được tẩy rửa sạch sẽ để thuận lợi và không gây ô nhiễm trong quá trình tái chế
Bước 4: Để tiết kiệm nhiệt lượng của lò đốt cần sấy khô các mẫu nhựa, qua đó thúc đẩy nhanh quá trình tái chế
LÝ THUYẾT THIẾT KẾ THEO TIÊN ĐỀ VÀ TAGUCHI
TAGUCHI 2.1 Giới thiệu về thiết kế theo tiên đề
Quá trình thiết kế là quá trình tạo ra một hệ thống hoặc thành phần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu mong muốn, thường lặp đi lặp lại và tích hợp giữa lĩnh vực kỹ thuật và lĩnh vực tự nhiên để tối ưu hóa mục tiêu đã đề ra Tuy đã có nhiều thành tựu nghiên cứu và đề tài khoa học trong kỹ thuật và ngành cơ khí, việc áp dụng các kết quả có sẵn để hỗ trợ thiết kế vẫn là cách học hỏi hiệu quả, đặc biệt trong thời đại toàn cầu hóa Tuy nhiên, nhiều lý thuyết kỹ thuật chỉ tối ưu cho việc cải tiến sản phẩm hiện có và chưa đảm bảo sự phát triển của sản phẩm mới, do đó cần nghiên cứu và ứng dụng một lý thuyết thiết kế thật sự Vì vậy, Giáo sư Nam Pyo Suh từ MIT đã xây dựng một lý thuyết thiết kế mới nhằm mở ra một môi trường sáng tạo hơn cho việc bố trí và điều chỉnh hướng đi trong thiết kế Lý thuyết thiết kế theo tiên đề (Axiomatic Design Theory - ADT) đóng vai trò then chốt trong thiết kế kỹ thuật, giúp định hình quá trình thiết kế theo các nguyên lý rõ ràng và có thể đo lường được.
Thiết kế theo tiên đề (ADT) sau khi ra đời đã được đón nhận và ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực Các lĩnh vực áp dụng ADT mang lại kết quả đáng mong đợi, từ thiết kế hệ thống, thiết kế sản phẩm, thiết kế phần mềm đến thiết kế hệ thống sản xuất và nhiều lĩnh vực liên quan.
Lý thuyết thiết kế theo tiên đề (Axiomatic Design Thery – ADT) ngay sau khi được giáo sư Nam Pyo Suh phát triển và giới thiệu năm 2001 [26] đã được ứng dụng rộng rãi Ngay trong năm 2001, Kwangduk D Lee và các cộng sự từ Mỹ đã ứng dụng thành công ADT để phát triển một máy mài CMP (Chemical-Mechanical Polishing) ở quy mô công nghiệp Máy sau đó hoạt động mà không gặp phải lỗi nào đáng kể, và được xem là một ví dụ về áp dụng ADT cho giảng dạy [27] Beom-Seon Jang và các cộng sự đến từ Hàn Quốc cũng dùng lý thuyết này để thiết kế cánh quạt tàu thủy Sau thành công bước đầu này, họ sẽ áp dụng ADT vào thiết kế tàu thủy [28] I Ferrer và các cộng sự từ Tây Ban Nha thì kết hợp DFM và ADT nhằm khắc phục những nhược điểm của DFM, lượng hóa các quyết định thiết kế, loại bỏ những đánh giá – cho điểm cảm tính, trong chế tạo một thanh truyền trong động cơ [29] Trong cùng năm 2009, R.J Urbanic và các cộng sự từ Canada, cũng áp dụng ADT để phát triển một loại thanh truyền trong động cơ, trong đó có rất nhiều không gian cho các cải tiến tiếp theo theo yêu cầu thị trường [30] Trong lúc đó, tại Trung Quốc, Dunbing Tang và các cộng sự [31] dùng ADT để giải quyết điểm hạn chế của phương pháp thiết kế dùng ma trận (Design Structural Matrix – DSM) đó là rất khó đưa ra ma trận thiết kế đối với các sản phẩm mới, chưa được thiết kế lần nào Được xuất bản trên tạp chí hàng đầu về chế tạo máy và kỹ thuật sản xuất là The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Feng-Tsai Weng & Shien-Ming Jenq từ Đài Loan [32] đã áp dụng thành công ADT vào sản xuất cấp tốc (Agile Manufacturing), một hình thức phát triển cao của sản xuất tinh gọn (Lean Manufacturing) Ngoài lĩnh vực sản xuất, ADT còn được áp dụng thành công vào nghiên cứu lưu chất, vi cầu hỗn hợp nước - dầu [33], hay thiết kế và chế tạo robot vệ sinh đường ống [34] Ngoài các nước kể trên, ADT còn được các nhà nghiên cứu ở rất nhiều nơi khác trên thế giới sử dụng Ở Thổ Nhĩ Kỳ, Osman Kulak và các cộng sự [35] nghiên cứu 63 bài báo ISI có sử dụng ADT (tính đến năm 2010) và đưa ra kết luận rằng ADT là một công cụ thiết kế mạnh mẽ, cả khi dùng độc lập lẫn khi kết hợp với các phương pháp thiết kế khác Một điển hình cho việc sử dụng ADT để khắc phục những hạn chế của các phương pháp thiết kế có sẵn là Jose´ Antonio Carnevalli và các cộng sự đến từ Brazil [36] dùng ADT để khắc phục 3 yếu điểm chính của phương pháp ngôi nhà chất lượng (phương pháp triển khai chức năng chất lượng – Quality Function Deployment – QFD) bao gồm (1) khó diễn đạt nhu cầu của khách hàng, (2) khó xác định và định thứ tự ưu tiên các đặc tính chất lượng và (3) khó xử lý những ma trận có kích thước lớn Trong khi đú, Antúnio M Gonỗalves-Coelho và cỏc cộng sự [37] đến từ Bồ Đào Nha thì dùng ADT để giải quyết những khó khăn trong việc thiết kế một cần trục cẩu hàng Còn Hadi Kandjani và các cộng sự đến từ Iran [38] thì tìm cách mở rộng ADT Đến từ Ấn Độ [40] kết hợp thành công ADT và TRIZ Và còn nhiều, nhiều nữa những nhà nghiên cứu trên thế giới vận dụng thành công ADT vào thiết kế, nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tế sản xuất
ADT, lý thuyết thiết kế theo tiên đề, đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới gần 20 năm nay, rất nhiều những nhà nghiên cứu trên thế giới vận dụng thành công ADT vào thiết kế, nghiên cứu lý thuyết cũng như thực tế sản xuất ADT có thể dược dùng độc lập hoặc kết hợp với các lý thuyết thiết kế khác để bổ trợ cho nhau, tùy trường hợp cụ thể Thế nhưng, ADT vẫn chưa được biết tới tại nước ta Từ những lý do nêu trên, việc tìm hiểu và bước đầu vận dụng ADT vào công tác thiết kế tại Việt Nam là một việc cấp thiết Tiếp theo đó, dựa vào kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như tính toán, thiết kế, vận dụng lý thuyết mới này, đưa ra được những kết luận và khuyến nghị về việc nghiên cứu sâu hơn lý thuyết thiết kế mới này cũng như vận dụng nó vào học thuật lẫn công nghiệp
Thiết kế theo tiên đề được xem như một bước ngoặt trong cơ sở thiết kế, giúp giảm thiểu thời gian tính toán các tham số và số lần lặp sai - thử Lý thuyết này đã được áp dụng thành công ở nhiều công trình trên thế giới và cho hầu hết các ngành kỹ thuật cũng như sinh học Khi được nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng đúng đắn, phương pháp này hứa hẹn trở thành một công cụ mạnh cho thiết kế các hệ thống máy, có thể được sử dụng độc lập hoặc như một công cụ bổ trợ cho các phương pháp thiết kế hiện có.
Ý nghĩa của ứng dụng lý thuyết theo tiên đề:
Lý thuyết thiết kế theo tiên đề (ADT) ra đời và nhanh chóng được nhiều nước trên thế giới áp dụng rộng rãi nhằm tối ưu hóa thiết kế và sản xuất Các nghiên cứu liên quan đến ADT cho thấy nó mang lại hiệu quả thiết kế và hiệu quả sản xuất một cách rõ rệt, đồng thời nâng cao chất lượng cũng như giảm thiểu sai sót trong quy trình làm việc Tính đến hiện tại, ADT vẫn được xem là một lý thuyết vàng trong lĩnh vực kỹ thuật nhờ khả năng cải thiện năng suất, tối ưu hóa quy trình và tạo nền tảng cho các giải pháp thiết kế hiện đại.
ADT có sự tương quan với các lý thuyết khác và mang lại kết quả tích cực khi được áp dụng riêng lẻ hoặc kết hợp Mặc dù được phát triển mạnh trên thế giới, ADT tại Việt Nam vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và giảng dạy Có một nhóm tác giả đã ứng dụng ADT vào thiết kế và chế tạo một thiết bị nhiệt định hình [41], sau đó kết hợp với phương pháp Taguchi để bước đầu đơn giản hóa điều kiện vận hành [42], tuy các ứng dụng còn hạn chế và chưa được giới học thuật lẫn công nghiệp biết tới Từ các bài báo cho thấy nghiên cứu kỹ thuật khi áp dụng ADT mang lại hiệu quả rất cao, giúp nhà thiết kế giảm thiểu chi phí và thời gian thử nghiệm [26] Những kết quả này cho thấy nếu ADT được triển khai ở nước ta trong các lĩnh vực kỹ thuật và nghiên cứu thì sẽ trở thành một công cụ hỗ trợ mạnh mẽ.
Việc định nghĩa các từ khóa giữ vai trò trọng yếu trong thiết kế theo tiên đề Vì các tiên đề chỉ có giá trị trong giới hạn do định nghĩa của các thuật ngữ chính tạo nên, phần sau của bài cần tiếp tục giải thích các thuật ngữ này bằng cách cung cấp định nghĩa của một số từ khóa chủ chốt Tương tự như các khái niệm nhiệt và công trong nhiệt động lực học mang ý nghĩa riêng so với cách dùng hàng ngày, các từ khóa được sử dụng trong thiết kế tiên đề cũng có ý nghĩa đặc thù riêng Các định nghĩa này được trình bày như sau [26].
Tiên đề là một chân lý hiển nhiên hoặc chân lý cơ bản, luôn được xem là không có ví dụ phản bác và không có ngoại lệ Nó không thể bắt nguồn từ các quy luật hoặc nguyên tắc khác của tự nhiên, mà đóng vai trò nền tảng độc lập cho các lý thuyết và suy luận sau này.
Hệ quả: Suy luận xuất phát từ tiên đề hoặc từ mệnh đề tiếp theo từ tiên đề hoặc từ mệnh đề khác đã được chứng minh
Định lý là một mệnh đề không tự hiển nhiên nhưng có thể được chứng minh từ các tiền đề hoặc tiên đề được chấp nhận Quá trình chứng minh dựa trên các tiền đề làm cơ sở giúp định lý trở thành một định luật hoặc nguyên tắc được thừa nhận rộng rãi Nhờ đó, định lý có vai trò làm rõ cấu trúc lý thuyết và cung cấp nền tảng cho các suy luận tiếp theo trong toán học và logic Việc thiết lập định lý từ chứng minh đảm bảo tính nhất quán và khả năng áp dụng của hệ thống suy luận, đồng thời mở đường cho việc rút ra các kết luận chắc chắn trong nhiều lĩnh vực.
Functional requirements (FR) are a minimal set of in-depth requirements that fully characterize the functional needs of a product (or software, organization, system, etc.) within its domain.
Ràng buộc (Cs) là các giới hạn đối với những giải pháp được chấp nhận, giúp xác định phạm vi thiết kế trong dự án Có hai loại ràng buộc chính: ràng buộc đầu vào và ràng buộc hệ thống Ràng buộc đầu vào được xác định như một phần của đặc điểm kỹ thuật thiết kế, trong khi ràng buộc hệ thống là những giới hạn do hệ thống áp đặt mà giải pháp thiết kế phải hoạt động được.
Tham số thiết kế (DP) là tập hợp các biến vật lý quan trọng hoặc các thuật ngữ tương đương trong thiết kế phần mềm, đóng vai trò mô tả đặc tính của hệ thống trong miền vật lý để đảm bảo thiết kế thỏa mãn các yêu cầu chức năng (FR) được chỉ định.
Biến quy trình (PV) là tập hợp các biến chính hoặc thuật ngữ tương đương được sử dụng trong thiết kế phần mềm, thuộc miền quy trình và đặc trưng cho một quy trình có khả năng tạo ra các DP được chỉ định.
2.3 Ánh xạ và tiên đề
Đôi khi nhu cầu hoặc thuộc tính của khách hàng (CAs) mong muốn trong một sản phẩm có thể khó xác định hoặc được xác định một cách mơ hồ Các nhà thiết kế cần nỗ lực hết sức để hiểu sâu nhu cầu của khách hàng bằng cách làm việc trực tiếp với họ để xác định đúng những gì họ mong đợi Quy tắc ở đây là đặt những câu hỏi phù hợp cho đúng khách hàng đúng thời điểm, từ đó thu thập thông tin hữu ích giúp quá trình thiết kế đáp ứng kỳ vọng người dùng và nâng cao hiệu quả phát triển sản phẩm.
THIẾT KẾ MÁY
3.1.1 Cấu tạo chung của máy băm nhựa
Máy băm nhựa bao gồm các bộ phận chính sau:
Nhiệm vụ cấp liệu cho máy là cung cấp đầy đủ nguyên liệu và đảm bảo nguyên liệu đi vào buồng băm một cách liên tục Yêu cầu cấp liệu phải phù hợp với công suất của máy, không để rơi hay văng nguyên liệu ra ngoài và đảm bảo nguyên liệu được đưa đến buồng băm một cách đều đặn Tùy theo năng suất, hệ thống cấp liệu có thể là cơ cấu cấp liệu tự động ở các máy có công suất cao hoặc là phễu cấp liệu thủ công ở các máy có công suất thấp.
Trong quá trình băm nhựa, trục và dao băm nhận nhựa từ bộ cấp liệu và đưa vào hộp dao để thực hiện quá trình băm Chức năng chính của hộp dao là đảm bảo vị trí tương quan giữa các chi tiết gắn lên nó, đồng thời duy trì sự kín để nhựa chỉ thoát ra ở bộ phận thu liệu và tuyệt đối không bị văng ra ngoài.
Trong một máy băm nhựa, bộ phận chính đảm nhận chức năng nghiền là trục và dao được bảo vệ bởi hộp dao Khi vận hành, động cơ truyền động cho trục và dao quay để thực hiện chức năng băm nhựa Tùy loại máy, công suất thiết kế có thể là một, hai hoặc nhiều trục và cách bố trí dao trên trục sẽ khác nhau với các loại dao khác nhau Trục và dao băm nhận momen xoắn lớn từ động cơ, do đó yêu cầu vật liệu có cơ tính tốt và phải trải qua gia công nhiệt luyện để đạt cơ tính tối ưu.
Khung máy có nhiệm vụ nâng đỡ các bộ phận của máy như động cơ,
Động cơ và hộp giảm tốc là cặp thiết bị quan trọng, tạo momen quay và điều chỉnh tốc độ phù hợp cho quá trình băm nhựa đồng thời truyền động cho trục dao băm quay Động cơ sinh momen quay, được truyền qua hộp giảm tốc để đạt vận tốc quay tối ưu cho máy Tùy vào mức công suất của từng máy mà công suất động cơ cũng khác nhau: máy có công suất lớn sẽ đi kèm động cơ có công suất tương ứng, còn máy có công suất nhỏ dùng động cơ phù hợp với nhu cầu.
Bộ phận điều khiển mang chức năng điều khiển hoạt động của máy Giúp người sử dụng vận hành máy dễ dàng và an toàn
Bộ phận thu gom nhựa sau khi băm gồm cụm thu liệu, lưới lọc và thùng chứa Lưới lọc có nhiều lỗ với đường kính tùy theo kích thước mảnh nhựa yêu cầu, cho phép những mảnh đạt kích thước lọt qua trong khi những mảnh chưa đạt sẽ được dao cuốn lên và băm lại cho đến khi đạt kích thước mong muốn Thùng chứa được thiết kế để việc lấy nhựa ra dễ dàng và an toàn ngay khi máy đang hoạt động.
3.1.2 Nguyên lý hoạt động chung của máy băm nhựa
Chai nhựa được cấp liệu và đưa vào buồng băm thông qua cơ cấu cấp liệu của máy, bắt đầu quá trình băm nhựa Tại buồng băm, trục dao nhận động từ đầu ra hộp giảm tốc và quay để cắt chai nhựa thành các mảnh Sau khi cắt, nhựa được qua sàng lọc; các mảnh có kích thước phù hợp vượt qua lưới sàn và được thu gom tại bộ phận thu liệu.
Trong môi trường khảo nghiệm, nhóm tác giả thiết kế, chế tạo máy băm chai nhựa với các yêu cầu kĩ thuật sau:
+ Băm được chai nhựa PET 500ml
+ Cho ra mẫu nhựa có kích thước 2÷8 mm
+ Nhựa được băm nhanh không băm đi băm lại nhiều
+ Lấy sản phẩm nhựa băm dễ dàng
+ Đảm bảo độ an toàn về vận hành và an toàn điện
+ Máy hoạt động ổn định, nhỏ gọn
3.2 Ứng dụng lý thuyết thiết kế tiên đề vào thiết kế máy
3.2.1 Ánh xạ từ miền chức năng sang tham số thiết kế
Thiết kế máy băm nhựa bắt đầu từ việc xác định cấp cao nhất của yêu cầu chức năng ở miền chức năng và tham số thiết kế phù hợp ở miền vật lý; sau đó tiến hành quá trình phân rã và ánh xạ các yêu cầu chức năng cùng với các tham số thiết kế thứ cấp, tiếp tục phân rã cho đến khi FR/DP ở cấp thấp nhất có thể và có thể chuyển thành các chi tiết vật lý để hoàn thiện thiết kế Quá trình này được minh họa như hình 3.1.
Khởi đầu của quá trình phân tích yêu cầu chức năng (FR) ở cấp cao nhất là xác định mục tiêu: FR cấp cao nhất là “chai nhựa được băm nhỏ” Đối với yêu cầu chức năng này, đối tượng trong miền vật lý (DP cấp cao nhất) được xác định là các đặc tính vật lý của chai nhựa sau khi băm nhỏ, bao gồm kích thước mảnh, khối lượng và tính chất vật liệu như độ bền và độ dẻo Việc liên kết FR và DP cho phép mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình xử lý, giúp đánh giá các tham số vận hành và thiết kế hệ thống phù hợp với mục tiêu tái chế hiệu quả Do đó, các yếu tố như kích thước vỏ chai băm, tỉ lệ thành phẩm và tiêu chuẩn chất lượng cuối cùng sẽ được xác định dựa trên đặc tính vật lý của chai nhựa sau khi băm.
“thiết bị băm nhựa”, hay nói cách khác, ánh xạ của yêu cầu chức năng “chai nhựa được băm nhỏ” qua miền vật lý là “thiết bị băm nhựa”
Tiếp theo, yêu cầu chức năng khởi đầu “chai nhựa được băm nhỏ” được phân rã thành các yêu cầu chức năng thứ cấp bằng cách ánh xạ hai miền, nhằm liên kết chặt chẽ giữa mục tiêu tổng thể và các chức năng cụ thể Các yêu cầu chức năng ở cấp 1 được xác định rõ để làm cơ sở cho việc triển khai ở cấp độ thấp hơn, đồng thời đảm bảo tính khả thi và tính nhất quán của hệ thống Quá trình ánh xạ giữa hai miền giúp tối ưu hóa mối quan hệ giữa đầu ra mong đợi và các thao tác xử lý, từ đó gia tăng hiệu quả hoạt động và dễ dàng đánh giá sự phù hợp của từng yêu cầu trong quá trình triển khai.
FR1: Chai nhựa được định hướng đi vào máy
FR2: Chai nhựa được băm
FR3: Mẫu nhựa băm có kích thước 2-8 mm
FR4: Băm nhanh (không cần băm đi băm lại nhiều)
FR5: Lấy sản phẩm nhựa băm dễ dàng
DP1: Cơ cấu cấp liệu
DP3: Lưới lọc đường kớnh lỗ ỉ2-8 mm
DP4: Chiều dày dao < 8mm
Mối tương quan giữa các FR và DP ở cấp 1 được biểu diễn dưới dạng phương trình (15) như sau:
Ma trận thiết kế (15) là một ma trận đường chéo thỏa mãn tiên đề độc lập Mỗi FR được thỏa mãn độc lập bởi một DP, trong đó một yêu cầu chức năng FR chỉ gắn với đúng một đối tượng miền vật lý DP; thiết kế như vậy được gọi là thiết kế không tách rời.
Hình 3.1: Giản đồ ánh xạ phân cấp FRs và DPs cho thiết bị băm nhựa
3.2.2 Phân tích chi tiết gia công dựa vào sơ đồ ánh xạ Để hoàn thành thiết kế máy băm chai nhựa PET, quá trình phân rã và ánh xạ qua lại giữa hai miền được tiếp diễn đến khi các FR và DP không thể phân tách xuống một cấp nhỏ hơn được nữa Nó bao gồm 4 cấp thể hiện chi tiết ở bảng 3.1 Khi đó một yêu cầu chức năng được thực hiện bởi một đối tượng (chi tiết) vật lý Trong suốt quá trình phân rã, người thiết kế đang chuyển đổi ý định thiết kế sang các chi tiết vật lý có thể thực hiện được [26] Các tham số thiết kế ở cấp cuối cùng sẽ dùng để thiết kế các chi tiết vật lý đáp ứng yêu cầu chức năng trong máy
Bảng 3.1: Quá trình phân rã và ánh xạ máy băm chai nhựa:
CẤP YÊU CẦU CHỨC NĂNG THAM SỐ THIẾT KẾ
0 FR0: Chai nhựa được băm nhỏ DP0: Máy băm chai nhựa
FR1: Chai nhựa được định hướng đi vào máy DP1: Cơ cấu cấp liệu
FR2: Chai nhựa được băm DP2: Cơ cấu băm
FR3: Mẫu nhựa băm cú kớch thước 2-8 mm DP3: Lưới lọc đường kớnh lỗ ỉ2-8 mm
FR4: Băm nhanh (không cần băm đi băm lại nhiều) DP4: Chiều dày dao < 8mm
FR5: Lấy sản phẩm nhựa băm dễ dàng DP5: Cụm thu liệu
FR6: Điều khiển dễ dàng DP6: Hộp điều khiển
FR1: Chai nhựa được định hướng đi vào máy DP1: Cơ cấu cấp liệu
FR11: Chai nhựa không văng ra ngoài DP11: Phễu cấp liệu
FR12: Định hướng vào dao băm DP12: Độ nghiêng của phễu FR13: Phễu được cố định DP13: Bulong phễu
FR2: Chai nhựa được băm DP2: Cơ cấu băm
FR21: Chai nhựa được cuốn vào trong máy DP21: Dao động
FR22: Lực băm được sinh ra DP22: Sự kết hợp dao động và dao tĩnh FR23: Nhựa băm chỉ đi xuống cụm thu liệu DP23: Hộp dao
FR24: Hộp dao được cố định DP24: Bulong hộp dao, khung FR5: Lấy sản phẩm nhựa băm dễ dàng DP5: Cụm thu liệu
FR51: Nhựa băm được gom tập trung DP51: Thùng chứa
FR52: Nhựa băm không bị văng ra ngoài DP52: Khung máy có chiều cao phù hợp FR6: Điều khiển dễ dàng DP6: Hộp điều khiển
FR61: Nhanh DP61: Nút nhấn
FR62: An toàn DP62: CB tự động
FR21: Chai nhựa được cuốn vào trong máy DP21: Dao động
FR211: Không xoay tròn DP211: Biên dạng mũi dao chữ S
FR212: Không bị kẹt DP212: Phần vát ở mũi dao
FR22: Lực băm được sinh ra DP22: Sự kết hợp của dao động và dao tĩnh
FR221: Dao động quay DP221: Bộ truyền động
FR222: Lực băm được phân bố đều lên các dao
DP222: Dao động ăn khớp vào dao tĩnh
FR223: Lực băm tập trung không quá lớn DP223: Các dao được bố trí lệch nhau tạo thành 1 vòng tròn
FR23: Nhựa băm chỉ đi xuống cụm thu liệu DP23: Hộp dao
FR231: Không văng ra tứ phía DP231: Hộp dao gồm 4 tấm
FR232: Bền chắc DP232: Bulong hộp dao
FR221: Dao động quay DP221: Bộ truyền động
FR2211: Moment quay DP2211: Động cơ
FR2212: Vòng quay phù hợp DP2212: Hộp số
FR2213: Trục dao quay DP2213: Khớp nối
FR2214: Dao động quay theo trục dao DP2214: Trục dao dạng lục giác FR2215: Lực cản đủ nhỏ DP2215: 2 ổ bi
FR2216: Dao đủ bền (không bị biến dạng dẫn đến bị kẹt) DP2216: Chiều dày dao đủ lớn
FR2217: Dao động không ma sát với hộp dao
DP2217: Dao tĩnh ở hai đầu hộp dao
FR2218: Độ đồng trục DP2218: Miếng đệm căn chỉnh động cơ
FR222: Lực băm được phân bố đều lên các dao
DP222: Dao động ăn khớp vào dao tĩnh
FR2221: Dao tĩnh được bố trí thẳng hàng DP2221: Dao tĩnh được gắn vào hộp dao FR2222: Dao động được bố trí thẳng hàng DP2222: Trục dao
FR2223: Khoảng cách giữa các dao động không đổi DP2223: Miếng chêm dao động
FR2224: Khoảng cách giữa các dao tĩnh không đổi DP2224: Miếng chêm dao tĩnh
Việc thiết kế dao động dựa theo các tham số thiết kế ở mức thấp nhất đã phân tích
Bảng 3.2: Các tham số thiết kế dành cho dao động
Yêu cầu chức năng Tham số thiết kế
FR4: Băm nhanh (không cần băm đi băm lại nhiều)
DP4: Chiều dày dao < 8mm
FR211: Không xoay tròn DP211: Biên dạng mũi dao chữ S
FR212: Không bị kẹt DP212: Phần vát ở mũi dao
FR223: Lực băm tập trung không quá lớn DP223: Các dao được bố trí lệch nhau tạo thành 1 vòng tròn
FR2216: Dao đủ bền (không bị biến dạng dẫn đến bị kẹt)
DP2216: Chiều dày dao đủ lớn
FR2214: Dao động quay theo trục dao DP2214: Trục và lỗ dao dạng lục giác
Thiết kế dao động đã được phân tích và đáp ứng các tham số thiết kế đề ra: độ dày dao động là 6 mm, biên dạng dao hình chữ S và được mài vát mũi Hệ thống gồm 3 loại dao được bố trí thành vòng tròn trên trục, với các góc từ 0 đến 20 độ.
Lỗ dao có dạng lục giác để nhận truyền động từ trục dao, đảm bảo liên kết và truyền mô-men xoắn giữa các chi tiết truyền động Điều này được thể hiện rõ ở bản vẽ chi tiết dao động (hình 3.2) và trong mô phỏng 3D (hình 3.3) dưới đây.
Hình 3.2: Bản vẽ dao động
Hình 3.3: Dao động mô phỏng 3D
3.4.1 Tính lực cắt cần thiết Ứng suất phá huỷ nhựa PET: τ = 80 MPa = 80.10 6 N/m 2
Diện tích mặt cắt ngang ở trường hợp lớn nhất
Trong đó: t – độ dày vật liệu t = 0,1 mm
D – đường kính chai nhựa D = 50 mm
3.4.2 Tính công suất trên các trục, chọn động cơ giảm tốc
Trong đó: Tct – Momen cần thiết trên trục công tác
Dd – đường kính dao băm Dd = 150mm
Momen xoắn do lực cắt tạo ra
Công suất cần trên trục dao băm
, = 0,1776 KW Công suất cần thiết trên trục đầu ra của động cơ giảm tốc
Chọn động cơ giảm tốc với công suất đầu ra 1HP = 0,75KW > Pct, số vòng quay n vòng/phút
3.5 Tính toán thiết kế trục
3.5.1 Tính sơ bộ đường kính trục công tác
Chọn vật liệu làm trục dao là thép 40Cr tôi có:
Giới hạn chảy 𝜎 = 785 MPa (trang 201 [45])
Xác định ứng suất uốn cho phép theo công thức 2.12b (trang 42 [46]):
𝐾 : hệ số tính đến ảnh hưởng của tất cả các nhân tố đến giới hạn mỏi của chi tiết
𝜀 : hệ số kích thước; 𝜀 = 0,77 thép hợp kim b-10.4/411(d= 30…40mm)
𝛽: hệ số tăng bền bề mặt 𝛽=2 (tôi bề mặt – b10.5/411)
𝐾 : hệ số tập trung ứng suất 𝐾 = 2,3 (trục có rãnh then – b-10.9/413)
[𝑠] : hệ số an toàn cho phép [𝑠] = 2 (thép có độ bền cao)
KL: Hệ số tuổi thọ KL =1
Hệ số tuổi thọ KL được xác định bởi công thức [46]:
𝐾 = (19) Với: No - số chu kỳ cơ sở No = 5.10 6 m - chỉ số mũ đường cong mỏi 𝑚 = 𝜀𝛽 = ( ÷ ) ,
NLE - số chu kỳ ứng suất thay đổi tương đương
Vì NLE > No nên lấy NLE = No, do đó KL =1 Đường kính sơ bộ của trục tính theo công thức (trang188 [47]): dsb ≥ T
Vậy tất cả các đường kính trên từng đoạn trục phải lớn hơn 17,91 mm
3.5.2 Xác định các lực, phản lực trên trục
Lực khớp nối: Fkn = (0,2…0,3).Ft = (0,2…0,3) = (0,2…0,3) ,
Momen trên trục băm: T= 94247,775 N.mm
Sơ đồ các lực, phản lực được thể hiện ở hình 3.4:
Hình 3.4: Sơ đồ lực và phản lực trên trục Phương trình cân bằng lực trong mặt phẳng YOZ:
⇔ - (Fy1 + Fy2 + Fy3 + Fy4+ Fy5+ Fy6+ Fy7+ Fy8+ Fy9+ Fy10+ Fy11+ Fy12) + FAY +
⇔ - (FC.12) + FAY + FBY = 0 (Lực cắt trên 12 dao là như nhau)
Phương trình cân bằng mômen trong mặt phẳng YOZ tại gối đỡ A
⇔ - (Fy1.34 + Fy2.46 + Fy3.58 + Fy4.70+ Fy5.82 + Fy6.94 + Fy7.106 + Fy8.118 +
Fy9.130 + Fy10.142 + Fy11.154 + Fy12.166) + FBY.200= 0
Phương trình cân bằng lực trong mặt phẳng XOZ:
Phương trình cân bằng mômen trong mặt phẳng XOZ tại gối đỡ A
Hình 3.5: Biểu đồ sức bền
3.5.3 Tính chính xác đường kính trên từng đoạn trục
Từ biểu đồ sức bền hình 3.5 ta có thể tính đường kính chính xác từng đoạn trục
Tính đường kính cho đoạn trục gắn khớp nối:
Mtđ = 𝑀 + 0,75 𝑇 = 0 + 0,75.94247,775 = 81620,97 N.mm Đường kính chính xác (trang 194 [47]) d , [ ] = ,
, = 17,07 mm d = 17,07 + 10% = 18,78 mm Đoạn trục có then ta cộng 5 – 10% vào đường kính trục
Vậy chọn đường kính đoạn trục gắn khớp nối d1 = 20 mm
Tính đường kính cho đoạn trục gắn ổ lăn:
Mtđ = 𝑀 + 0,75 𝑇 = 42500 + 0,75.94247,775 = 92023 N.mm Đường kính chính xác d , [ ] =
Tính đường kính cho đoạn trục lục giác
Mtđ = 𝑀 + 0,75 𝑇 = 483074,05 + 0,75.94247,775 = 489920,933 N.mm Đường kính chính xác d , [ ] = ,
, = 31,03 mm Vậy chọn đường kính đoạn trục nội tiếp lục giác d3 = 32mm
3.5.4 Kiểm nghiệm độ bền mỏi
Kết cấu trục sau thiết kế thoả mãn độ bền mỏi nếu hệ số an toàn ở các tiết diện thoả điều kiện (trang 195 [47])
[s] - hệ số an toàn cho phép [s] = 1,5÷2,5
𝑠 ; 𝑠 - hệ số an toàn xét riêng ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j
Vật liệu trục dao là thép 40Cr tôi có:
𝜓 ; 𝜓 hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi
(bảng 10.7 trang 197[18]) với 𝜎 = 980 𝑀𝑃𝑎 , ta có: 𝜓 = 0,1 ; 𝜓 = 0,05 σ aj , σ mj : biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp ở tiết diện đang xét
Trục quay nên ứng suất thay đổi theo chu kỳ đối xứng, do đó aj tính theo (công thức 10-22/196 [47]) σ mj = 0; σ aj = σ maxj =
Mj: momen uốn tổng ở tiết diện đang xét
Wj: momen cản uốn bảng -10.6 [47]
+ đối với trục có tiết diện tròn: 𝑊 = mm 3
+ đối với tiết diện trục có 1 rãnh then: 𝑊 = −
mm 3 τ aj τ mj: biên độ và trị số trung bình của ứng suất tiếp tại tiết diện đang xét
Khi trục quay 1 chiều, ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động [47]: τ mj = τ aj = =
Tj - momen xoắn trên trục đang xét
Woj - momen cản xoắn - bảng 10.6 [47]
+ đối với tiết diện có 1 rãnh then: 𝑊 = −
Trị số momen cản uốn, momen cản xoắn, kích thước then tương ứng với các tiết diện nguy hiểm trên trục được thể hiện ở bảng 3.3
Bảng 3.3: Các tiết diện nguy hiểm trên trục
Tiết diện Đường kính (mm) bxh t1 Wj
Kdj ; Kdj được tính theo công thức 10.25 và 10.26 trang 197 [47]
+ Kx: Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt phụ thuộc vào phương pháp gia công tra bảng 10.8/197 [47] Kx=1,168
+ Ky: Hệ số tăng bền bề mặt Ky=2 tôi cao tần
+ εσ, ετ: Hệ số kích thước xét đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi theo bảng 10-10/198 [47] tìm được εσ, ετ
+ Kσ, Kτ: Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và khi xoắn Theo bảng 10.12/199
+ Kσ/εσ, Kτ/ετ: Trị số với bề mặt trục lắp có độ dôi được tra trong bảng 10.11/198
Bảng 3.4: Hệ số của các tiết diện trên trục
Bảng 3.5: Kết quả tính hệ số an toàn trên các tiết diện nguy hiểm
=> Các tiết diện đều thoả độ bền mỏi
3.5.5 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh Độ bền tĩnh được kiểm nghiệm nhằm mục đích khi có tải quá đột ngột, khả năng bị biến dạng dẻo quá lớn hoặc phá hỏng được đề phòng Độ bền tĩnh được kiểm nghiệm theo công thức:
𝑀 ; 𝑇 là momen uốn và momen xoắn lớn nhất tại các tiết diện nguy hiểm, N.mm
𝜎 : giới hạn chảy của vật liệu làm trục, Mpa
Bảng 3.6: Kết quả kiểm nghiệm độ bền tĩnh cho các tiết diện nguy hiểm
Các tiết diện thoả bền tĩnh
3.5.6 Kiểm nghiệm then Điều kiện bền dập, bền cắt phải thỏa [47]:
+ d - đường kính tại tiết diện có rãnh then đang xét (mm)
+ T - momen xoắn trên trục đang xét (N.mm)
+ 𝑙 chiều dài của then 𝑙 = (0,8…0,9) 𝑙 (𝑙 = 45 mm)
+ b, h, 𝑡 – các thông số của then tra bảng 9.1a/173 [47]
+ [𝜎 ] - ứng suất dập cho phép [𝜎 ] = 100 MPa, bảng 9.5/179 [47] (va đập nhẹ) + [𝜏 ] - ứng suất xoắn cho phép [𝜏 ] = 60…90 MPa
Với then làm bằng thép chịu tải trọng va đập nhẹ giảm 1/3
Bảng 3.7:Kết quả tính kiểm nghiệm then
Hình 3.6: Bản vẽ trục lục giác
3.6 Xác định ổ lăn trên trục
Tính phản lực tại các gối đỡ
Bảng 3.8: Phản lực tại gối đỡ
- Lực hướng tâm tác dụng lên ổ A [47]:
- Lực hướng tâm tác dụng lên ổ B:
Vì 𝐹𝑟 > 𝐹𝑟 nên tính toán theo 𝐹𝑟
Chọn gối đỡ vòng bi UCFL 204 của hãng SKF [48] với đường kính ngõng trục d = 20mm (hình 3.8) có thông số như bảng:
Bảng 3.9: Gối đỡ vòng bi UCFL 204
Khả năng tải động C 12,7kN
Khả năng tải tĩnh CO 6,7kN
Khả năng quay nhanh 6500 vg/ph
Lắp với trục có dung sai h6
Kiểm nghiệm khả năng tải động:
+ 𝑋, 𝑌 ∶ hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục
Vì lực Fa = 0 nên chọn X = 1 và Y = 0
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ:
Với Qt : tải trọng tĩnh quy ước (kN)
Co : Khả năng tải tĩnh (kN)
Vậy gối đỡ vòng bi đã chọn thoả bền
3.7 Tối ưu hóa biên dạng dao băm
3.7.1 Lưu đồ quy trình tối ưu hóa dùng phương pháp Taguchi
Lưu đồ quy trình tối ưu hóa được trình bày chi tiết và minh họa trong Hình 3.9, cho thấy quy trình cơ bản gồm hai bước chính là mô phỏng và kiểm nghiệm bằng thực nghiệm.
Hình 3.9:Quy trình tối ưu hóa thông số dao băm.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
4.1 Quy trình công nghệ chi tiết trục
4.1.1 Phân tích chức năng và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết
- Chức năng của chi tiết:
Chi tiết gia công thuộc loại chi tiết dạng trục có chức năng là mang chi tiết khác (dao động) và nhận chuyển động từ động cơ
Chi tiết có 1 bề mặt trụ trơn dùng để lắp với ổ lăn và khớp nối, 1 bề mặt lục giác dùng để lắp với lỗ dao
- Các yêu cầu kỹ thuật:
Bề mặt trụ trơn đạt độ nhám bề mặt 1.6 𝜇𝑚 và dung sai ∅20h6, dung sai độ trụ đạt 0.006 mm, dung sai độ đồng trục đạt 0.016 mm
Bề mặt trơn có rãnh then 6x6x40 mm
Thép 40Cr có thành phần hóa học như bảng 4.1 (trang 197 [45])
Bảng 4.1: Thành phần hóa học thép 40Cr
Cacbon Silic Mangan Niken Crom
Giới hạn bền 𝜎 = 980 MPa (trang 201 [46])
Giới hạn chảy 𝜎 = 785MPa (trang 201 [46])
Thép 40Cr là một loại thép hợp kim có khả năng hoá tốt và cơ tính ổn định, cho khả năng chịu tải cao và được sử dụng phổ biến trong chế tạo chi tiết máy móc, đặc biệt là trục Vì vậy, thép 40Cr được lựa chọn làm vật liệu chế tạo trục cho máy băm nhựa Trong quá trình gia công, để nâng cao cơ tính của vật liệu, ta tiến hành xử lý nhiệt với các bước nhiệt luyện ở nhiệt độ phù hợp nhằm tăng cường độ cứng và độ bền của vật liệu.
4.1.3 Xác định dạng sản xuất
- Công thức tính sản lượng hàng năm: (trang 14 [50])
N : Số chi tiết được sản xuất trong một năm
N : Số sản phẩm (của máy) được sản xuất trong một năm
N = 10000 chi tiết/năm m : Số chi tiết trong một sản phẩm (một máy) m =1
: Số chi tiết được chế tạo thêm để dự phòng ( = 5 - 7%) Chọn = 6%
- Khối lượng chi tiết được xác định: (trang 19 [50])
Q: khối lượng của chi tiết
V: thể tích của chi tiết γ: khối lượng riêng của vật liệu (γ của thép là 7.852 kg/dm )
Dùng phần mềm NX tính thể tích của chi tiết hình 4.1:
=> Ta chọn dạng sản xuất hàng loạt lớn
4.1.4 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi
Quá trình gia công được dùng để chế tạo các chi tiết như xi lanh, con lăn, chi tiết kẹp và các loại trục, phục vụ cho sản xuất hàng loạt vừa đến lớn và hàng khối Hình 4.2 minh họa rõ nét các loại chi tiết và quy trình gia công liên quan, giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao trong công nghiệp.
Dùng cho các loại chi tiết : dạng càng, trục răng thẳng, trục răng côn và các loại bánh răng khác,…
Phôi dập có lượng dư gia công ít bởi kích thước và hình dạng gần giống với chi tiết gia công
Công nhân đứng máy yêu cầu có trình độ cao
Thường dùng trong sản xuất hàng loạt lớn, hàng khối vì có năng suất cao, lượng dư kim loại ít, phôi có độ chính xác cao như hình 4.3
Phôi rèn mang lại cơ tính tốt cho vật liệu, giúp kim loại bền chặt và chịu được uốn, chịu xoắn ở mức cao; đồng thời phôi rèn có hình dáng ít phức tạp hơn so với các loại phôi khác (hình 4.4).
Rèn tự do là phương pháp gia công kim loại sử dụng ngoại lực tác động qua dụng cụ và biến dạng ở nhiệt độ rèn để tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước theo yêu cầu Kỹ thuật này thường được ứng dụng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt nhỏ, giúp chế tạo các chi tiết có hình học phức tạp với độ chính xác kích thước và tính chất cơ học được kiểm soát.
Phôi đúc là phương pháp chế tạo phôi bằng cách rót kim loại nóng chảy vào khuôn có hình dạng phù hợp Phôi đúc phổ biến nhất là phôi gang; ngoài ra có thể đúc được phôi thép và phôi kim loại màu Đúc cho phép tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp mà các phương pháp gia công khác như rèn hoặc dập khó có thể đạt được.
Thường dùng cho các loại chi tiết như :chi tiết dạng hộp, chi tiết dạng càng ,các gối đỡ, Dùng trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt
Phôi cán là phôi được chế tạo bằng phương pháp biến dạng dẻo tại nhà máy luyện kim, là nguyên liệu quan trọng cho gia công cơ khí và kết cấu Các phôi này có hình dạng và kích thước theo tiêu chuẩn, bao gồm phôi hình U, I, L; phôi cán tròn, vuông và ống, như hình 4.6.
Phôi cán ứng dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy Cơ tính của phôi cán thì thấp hơn phôi dập, rèn
Ta lựa chọn dạng phôi cán
- Phù hợp với chi tiết dạng trục
- Thích hợp với dạng sản xuất hàng loạt
- Phôi cán có nhiều hình dạng khác nhau, có chiều dài và kích thước tiết diện ngang theo tiêu chuẩn, chất lượng bề mặt cao, độ chính xác cao
- Quá trình cán dễ cơ khí hóa và tự động hóa, năng suất cao
Phương pháp chế tạo phôi
Các sản phẩm phôi cán được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp như xây dựng, công nghiệp ôtô, công nghiệp điện và chế tạo máy, và bao gồm cả kim loại màu lẫn kim loại đen Các sản phẩm cán được phân loại thành bốn loại chính dựa trên tiết diện ngang và hình dáng của sản phẩm để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau của từng ứng dụng Việc lựa chọn loại phôi cán phù hợp giúp tối ưu hiệu suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất trong các lĩnh vực từ kết cấu xây dựng đến các bộ phận cơ khí và thiết bị điện.
Loại thép này được sử dụng phổ biến trong xây dựng công trình, ngành cầu đường và chế tạo máy nhờ tính bền chắc và khả năng gia công linh hoạt Nó được phân loại thành hai nhóm chính: a) thép cán hình có tiết diện đơn giản, phù hợp với các cấu kiện yêu cầu hình dáng giản dị và sản xuất nhanh; b) các loại thép cán hình có tiết diện và đặc tính kỹ thuật đa dạng để đáp ứng các yêu cầu thiết kế phức tạp.
Hình dạng sản phẩm được mô tả như hình 4.7 [52]
Hình 4.7: Các loại tiết diện cán đơn giản [52]
- Thép cán lục giác có đường kính đường tròn nội tiếp D = 6 ÷ 100 mm
- Thép cán tam giác có 2 loại:
+Tam giác cạnh không đều: (30 x 20 x 20) + (200 x 150 x 150) mm
+Tam giác cạnh đều: (20 x 20 x 20) + (200 x 200 x 200) mm b) Thép cán hình có tiết diện phức tạp:
Hình dạng sản phẩm được mô tả như hình 4.8 [52]
Hình 4.8: Cán tiết diện phức tạp[52]
- Loại thép cán này có một số kiểu dạng chữ như: U,T, I, một trong số đó được sử dụng trong việc xây dựng đường sắt
Trong lĩnh vực cán luyện, một trong những sản phẩm cán được hiện diện phổ biến và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, chế tạo vỏ tàu thủy và sản xuất máy bay; sản phẩm này được chia thành 3 nhóm chính.
- Thép cán lá S = 0,001 ÷ 0,2 mm, B = 200 ÷ 1500 mm, L = 4000 ÷ 60000 mm
- Thép cán tấm mỏng: S = 0,2 ÷ 4 mm, B = 600 ÷ 2200 mm
- Thép cán tấm dày: S = 4 ÷ 60 mm, B = 600 ÷ 5000 mm, L= 4000 ÷ 12000 mm
Loại thép cán này hầu hết được sử dụng cho việc làm ống cấp thoát nước trong ngành thuỷ lợi, vận chuyển dầu trong ngành dầu khí, trong các công trình xây dựng, gồm có 2 nhóm chính:
- Thép cán ống không hàn: các dạng ống này thì được cán từ phôi thỏi, có D 200 ÷ 350 mm, L= 2000 ÷ 4000 mm
- Thép cán ống có hàn: loại thép này được sản xuất từ dạng thép cán tấm và được cuốn thành ống sau đó hàn cố định lại, có D = 4000 ÷ 8000 mm và S 14 mm [52]
Thép cán có hình dáng đặc biệt được sản xuất dựa trên các yêu cầu mang tính đặc thù của từng ngành và từng phương pháp chế tạo, như cán vỏ ôtô, cán bi và các loại có tiết diện thay đổi theo chu kỳ, được minh họa trong hình 4.9 [52].
Hình 4.9: Cán tiết diện đặc biệt
=> Ta chọn phương pháp chế tạo phôi là thép cán hình tiết diện đơn giản
Vì phù hợp với tiết diện chi tiết trục gia công và dạng sản xuất hàng loạt
4.1.5 Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết
Chọn phương án gia công bề mặt
Phương án 1: Dùng 2 mũi chống tâm
Bước 2: Phay mặt khống chế chiều dài phôi đạt chiều dài L10+0,2 mm, khoan tâm đồng thời 2 mặt đầu
+ Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L0+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 2: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài LP+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 3: Phay rãnh then 6x6x40 mm
+ Nguyên công 4: Xử lý nhiệt
+ Nguyên công 5: Mài bề mặt trụ bậc để đạt ∅20h6 mm, có độ nhám 𝑅 = 1,6𝜇𝑚
Phương án 2: Dùng 1 mũi chống tâm và mâm cặp 3 chấu
Bước 1: Cắt trên máy cắt đĩa để đạt chiều dài L12+0,3 mm
Bước 2: Phay mặt khống chế chiều dài phôi đạt chiều dài L10+0,2 mm, khoan tâm đồng thời 2 mặt đầu
+ Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L0+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 2: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài LP+0,1 mm, có độ nhám 𝑅 = 3,2𝜇𝑚
+ Nguyên công 3: Phay rãnh then 6x6x40 mm
+ Nguyên công 4: Xử lý nhiệt
+ Nguyên công 5: Mài bề mặt trụ bậc để đạt ∅20h6 mm, có độ nhám 𝑅 = 1,6𝜇𝑚
Bảng 4.2: So sánh phương án 1 và 2
Phương án 1 Phương án 2 Ưu điểm - Đảm bảo độ đồng tâm cao qua nhiều lần gá
- Khi di chuyển qua lại giữa các nguyên công giúp tiết kiệm nhiều thời gian gá đặt
- Chọn chuẩn tinh là hai mũi chống tâm có thể sửa chữa, kiểm tra một cách nhanh chóng
- Định vị được 5 bậc tự do
- Định vị được 4 bậc tự do
- Phù hợp với dạng sản xuất đơn chiếc
Nhược điểm chính của hệ thống là dễ mài mòn và sinh nhiệt do ma sát giữa lỗ tâm và mũi chống tâm, khiến hai chi tiết này bị biến dạng và làm giảm độ chính xác gia công Do đó, khi phát hiện mòn hoặc biến dạng lỗ tâm, ta phải sửa lỗ tâm bằng các phương pháp gia công lại hoặc tái gia công để khôi phục tròn và đường kính chuẩn, từ đó giảm thiểu sai lệch tâm và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ.
- Độ cứng vững thấp và phải dùng tốc kẹp
- Lực kẹp lớn gây ảnh hưởng đến bề mặt trục
- Vì trục lục giác nên quá trình gá kẹp lâu
- Độ đồng tâm không cao khi di chuyển qua giữa các nguyên công
- Khi di chuyển qua lại giữa các nguyên công mất nhiều thời gian gá đặt
Năng suất và kinh tế
Việc sử dụng hai mũi chống tâm cho quá trình gá đặt giúp thao tác nhanh chóng, rút ngắn thời gian gia công và tăng năng suất làm việc Nhờ gá đặt nhanh và ổ định, quá trình gia công được thực hiện hiệu quả hơn, giảm thiểu sai số và hao phí Từ đó, chi phí sản xuất được giảm đáng kể, hạ giá thành sản xuất mà vẫn duy trì chất lượng ổn định.
=> Ta chọn phương án 1: Dùng 2 mũi chống tâm
Qui trình công nghệ gia công chi tiết trục
Bước 1: Cắt trên máy cưa sắt để đạt chiều dài L12+0,3 mm
Nguyên công chuẩn bị được thể hiện trong Hình 4.10 với bề mặt A (chuẩn thô) Định vị phiến tì nhằm cố định mặt A và hạn chế 3 bậc tự do bằng 2 xoay và 1 tịnh tiến Đồng thời, 2 chốt tì được dùng để hạn chế 2 bậc tự do còn lại, gồm 1 xoay và 1 tịnh tiến, đảm bảo vị trí và cố định phiến cho quá trình chuẩn bị gia công.
Kẹp chặt: Bằng khí nén mặt B
Chọn máy: Chọn máy MP-71M
Tốc độ quay của trục chính khi phay n = 120 ÷ 712 (vòng/phút)
Công suất động cơ N = 2,2 ÷ 7,5kW
Chọn dao: Dao phay mặt đầu gắn mảnh hợp kim cứng bảng 4-94 trang 376 [53] Vật liệu phần lưỡi cắt: T15K6
Bảng 4.3: Thông số dao phay mặt đầu
D (mm) B (mm) d(h7) (mm) Số răng
Bảng 4.4: Thông số mũi khoan tâm
Ds(mm) L(mm) l(mm) Dc(mm)
Vật liệu phần mũi khoan: thép gió P18
Nguyên công 1: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài L0+0,1 mm Bước 1: Tiện thô
Hình 4.13: Tiện tinh nguyên công 1 Chuẩn: Mặt C và hai mũi chống tâm Định vị: Hai mũi chống tâm hạn chế 5 bậc tự do 3 tịnh tiến 2 xoay hình 4.12 và hình 4.13
Kẹp chặt: Mũi chống tâm di động
Chọn máy: Máy tiện vạn năng 1k62 (trang 217 [54])
Tốc độ quay của trục chính: n (vòng/phút): 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500
Công suất động cơ N = 10 kW
Vật liệu phần lưỡi cắt: T15K6
Chọn dạo tiện ngoài thân thẳng có gắn mảnh hợp kim cứng với các thông số như bảng 4.5
Bảng 4.5: Thông số dao tiện h (mm) b(mm) L(mm) n(mm) l(mm) R(mm)
Nguyên công 2: Tiện thô, tinh đạt ∅20,3 mm đạt chiều dài LP+0,1 mm Bước 1: Tiện thô
Hình 4.14: Tiện thô nguyên công 2
Hình 4.15: Tiện tinh nguyên công 2
Chuẩn: Mặt D và hai mũi chống tâm Định vị: Hai mũi chống tâm hạn chế 5 bậc tự do 3 tịnh tiến 2 xoay như hình 4.14 và hình 4.15
Kẹp chặt: Mũi chống tâm di động
Chọn máy: Máy tiện vạn năng 1k62 trang 217 [54]
Tốc độ quay của trục chính: n (vòng/phút): 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630
Công suất động cơ N = 10 kW
Vật liệu phần lưỡi cắt: T15K6
Chọn dạo tiện ngoài thân thẳng có gắn mảnh hợp kim cứng với các thông số như bảng 4.6
Bảng 4.6: Thông số dao tiện h (mm) b(mm) L(mm) n(mm) l(mm) R(mm)
Nguyên công 3: Phay rãnh then 6x6x40 mm
Hình 4.16: Phay rãnh then nguyên công 3
QUY TRÌNH LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM
NGHIỆM 5.1 Quy trình lắp ráp
Bước 1: Lắp bộ dao động:
Lắp trục + dao động 1 + dao động 2 + dao động 3+ chêm dao động + chêm dao động bìa + bạc định vị hình 5.1
Để đảm bảo hoạt động ổn định của bộ dao động, thiết kế yêu cầu dao lắp vào trục dễ dàng, không cần đóng mạnh dẫn đến loe lỗ và hỏng vị trí lắp ráp; vị trí của các dao động phải được cố định chính xác, chêm dao được sắp xếp đúng thứ tự và đúng góc độ, và các lưỡi dao phải tạo thành hình xoắn ốc đúng biên dạng của thiết kế bộ dao động.
Bước 2: Lắp gối đỡ vòng bi vào tấm lắp gối đỡ hình 5.2
Hình 5.2: Gối đỡ và tấm lắp gối đỡ
Yêu cầu: đảm bảo ổ lăn được cố định trên tấm đỡ
Bước 3: Lắp 2 bộ dao Tĩnh
Lắp 2 ty ren + dao tĩnh lớn+ dao tĩnh nhỏ hình 5.3
Để thực hiện đúng quy trình, hãy lần lượt lắp ráp xen kẽ dao tĩnh lớn và dao tĩnh nhỏ, rồi ở bước cuối cùng lắp hai ty ren Bộ dao tĩnh được thiết kế để đảm bảo lắp đúng thứ tự các loại dao, giúp thiết bị vận hành chính xác và an toàn.
Bộ dao động + gối đỡ và tấm lắp gối đỡ + bộ dao tĩnh +tấm đứng + tấm ngang + tấm sàng lọc+ tấm bản lề trên và dưới hình 5.4
Khi lắp ráp, yêu cầu đồng tâm giữa hai ổ lăn và trục dao phải được đảm bảo để giảm lệch tâm và tăng hiệu suất vận hành; trong quá trình quay thử, bộ dao tĩnh và bộ dao động không được cạ nhau, đảm bảo sự tiếp xúc và hành trình hoạt động chuẩn; khung hộp dao phải chắc chắn, các tấm hộp dao được cố định đầy đủ và không để hở quá nhiều nhằm đảm bảo an toàn và độ ổn định của hệ thống.
Bước 5: Lắp hoàn chỉnh hộp dao
Lắp hộp dao + phễu+ khớp nối
Lắp động cơ giảm tốc + khớp nối+ hộp dao + khung + CB
Thiết bị băm chai nhựa hoàn chỉnh hình 5.5
Khi lắp hộp dao và động cơ lên khung máy, cần bảo đảm sự đồng tâm giữa trục dao băm và trục động cơ để đạt hiệu suất tối ưu Bên cạnh đó, vị trí tương quan giữa hộp dao và mô tơ trên khung phải được xác định chính xác để đảm bảo ăn khớp giữa hai khớp nối và sự ổn định của hệ thống vận hành.
Hoàn thiện máy đi dây và lắp CB đảm bảo an toàn điện ba pha Vệ sinh sạch sẽ kiểm tra máy kĩ lưỡng trước khi vận hành
Hình 5.5: Thiết bị băm nhựa
5.2 Vận hành và thử nghiệm
Quy trình vận hành và thử nghiệm:
Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Chuẩn bị chai nhựa PET đã được rửa sạch, lột nhãn và loại bỏ nắp chai như hình 5.6 để bảo đảm khi băm nhựa PET không bị pha tạp bởi các loại nhựa khác và quá trình thu gom sản phẩm diễn ra thuận lợi theo yêu cầu.
Trước khi vận hành máy, tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng các yếu tố sau: dây cấp nguồn và phích cắm phải ổn định, không có rò điện hoặc tiếp xúc lỏng; bu-long, đai ốc được siết chặt để đảm bảo an toàn cho động cơ, khớp nối và CB hoạt động bình thường; hộp dao và khung máy cần chắc chắn, không rung lắc hay hư hỏng; bộ dao phải được kiểm tra để đảm bảo không có cạ, kẹt hoặc vướng dao; lưới lọc phải sạch, đảm bảo khe hở giữa lưới và dao đúng như hình 5.7.
Môi trường xung quanh máy vận hành an toàn ổn định để không gián đoạn trong quá trình máy băm nhựa
Kiểm tra đảm bảo an toàn yêu cầu khi sử dụng điện 3 pha
Sau khi tiến hành kiểm tra tổng quan máy, an toàn điện và điều kiện môi trường, tiến hành cắm điện 3 pha và bật CB để vận hành máy Kiểm tra trục dao phải có chiều quay thích hợp, đảm bảo đúng chiều lưỡi cắt để khi bỏ chai nhựa vào không bị trượt do ngược chiều dao Kiểm tra khớp nối truyền động phải ổn định ăn khớp Trục và khớp nối truyền động đồng tâm, không trượt, không lệch bên Bộ dao hoạt động ổn định, không cạ, không kẹt.
Bước 4: Cho nhựa vào băm
Lần lượt cho chai nhựa PET vào phễu máy, chai nhựa được dẫn trực tiếp vào buồng băm, dao sẽ băm lấy chai thành nhiều mảnh nhỏ Các mảnh nhựa lớn sẽ được phân loại và tiếp tục đưa vào buồng nghiền để đạt kích thước đồng đều, tối ưu cho quá trình tái chế chai PET và nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống máy nghiền nhựa.
Bước 5: Lấy mẫu nhựa và kiểm tra đo đạt kích thước
Sau khi băm được 1 kg nhựa PET, nhóm rút điện và bắt đầu lấy mẫu nhựa từ cụm thu liệu qua lưới lọc và thùng chứa Dùng thước cặp đo chiều dài và chiều rộng, mẫu nhựa phải đạt kích thước từ 2–8 mm như hình 5.9 Kiểm tra mẫu nhựa; nếu mẻ nào không đạt yêu cầu sẽ được băm lại Những mẻ đã đạt kích thước sẽ được ghi lại và phân tích xử lý số liệu phục vụ cho vấn đề thực nghiệm.
Sau khi vận hành thử nghiệm và xác nhận máy hoạt động ổn định, nhóm nghiên cứu tiến hành lấy mẫu nhựa đã băm để thực nghiệm Quá trình thực nghiệm sẽ bắt đầu từ việc lấy mẫu ngẫu nhiên nhằm bảo đảm tính đại diện cho vật liệu và độ tin cậy của kết quả Các mẫu nhựa được chuẩn bị đúng quy cách để tiến hành các thử nghiệm tiếp theo và đánh giá hiệu suất của quy trình sản xuất cũng như hệ thống máy móc.
Trong nghiên cứu này, 100 mẫu nhựa đã được băm nhỏ và chuẩn bị cho quá trình đo kích thước Mỗi mẫu được đo chiều dài và chiều rộng bằng thước cặp có độ chính xác 1/20, nhằm thu thập dữ liệu kích thước một cách nhất quán Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích bằng phần mềm Statgraphics nhằm đánh giá các đặc tính kích thước của các mẫu nhựa.
100 mẫu nhựa đo có kích thước như bảng 5.1:
Bảng 5.1: Số liệu 100 mẫu nhựa
Kết quả xử lý số liệu chiều dài và chiều rộng mẫu
Hình 5.10: Kết quả xử lý số liệu
Hai dữ liệu có phân bố chuẩn vì hai thông số skewness và kurtosis có giá trị nằm trong đoạn [-2;2] như hình 5.10
Các biểu đồ tần suất như hình 5.11, biểu đồ Box & Whisker hình 5.12 và biểu đồ phân tán của hai mẫu hình 5.13
Hình 5.11: Biểu đồ tần suất
Hình 5.12: Biểu đồ Box & Whisker
Hình 5.13: Biểu đồ phân tán
Biểu đồ tần suất cho thấy các mẫu có kích thước dài 5,3 mm và rộng 3,2 mm là những mẫu xuất hiện nhiều nhất, với kích thước 5,3 x 3,2 mm có tần suất cao nhất Hai kích thước này nằm trong phạm vi kích thước yêu cầu từ 2-8 mm.
Biểu đồ Box & Whisker cho chiều dài mẫu cho thấy phân phối lệch về phía trên giá trị trung bình với giá trị trung bình là 5,0785 mm; phần lớn chiều dài mẫu nhựa nằm trong khoảng yêu cầu từ 2–8 mm, tập trung ở khoảng 3,5–6,5 mm, kích thước chiều dài chịu ảnh hưởng bởi kích thước lưới lọc, tuy nhiên vẫn có một số mẫu có chiều dài ngoại lệ lớn hơn 8 mm Ở chiều rộng mẫu, biểu đồ lệch nhẹ phía trên giá trị trung bình là 3,139 mm; chiều rộng của nhựa ổn định và nằm hoàn toàn trong phạm vi yêu cầu 2–8 mm, tập trung nhiều ở khoảng 2,5–4 mm, cho thấy kích thước chiều rộng đạt yêu cầu.
Biểu đồ phân tán cho thấy mối liên hệ giữa chiều rộng và chiều dài của mẫu, nhưng ở trường hợp này hai biến này không có sự liên hệ với nhau Điều này cho thấy chiều dài và chiều rộng của mẫu là hai yếu tố độc lập, chúng hoạt động riêng biệt và không ảnh hưởng lẫn nhau.
5.4 Tiểu kết Ở chương này nhóm đã trình bày về quy trình lắp ráp sau khi hoàn thành mô hình máy băm chai nhựa thực tế, đưa ra các yêu cầu kỹ thuật khi lắp ráp Sau đó là công việc vận hành thử nghiệm, nhờ việc áp dụng ADT vào thiết kế và chế tạo, việc vận hành thử nghiệm diễn ra khá trơn tru, máy không gặp nhiều sự cố, đã băm cho ra mẫu nhựa Các mẫu nhựa này được lấy ngẫu nhiên, tiến hành đo lấy kích thước chiều dài và rộng để làm dữ liệu xử lý số liệu, kết quả cho thấy các mẫu nhựa phần lớn nằm trong kích thước cho phép Tuy nhiên còn số ít mẫu có kích thước chiều dài chưa phù hợp, điều này xảy ra do kích thước lỗ sàng lọc còn lớn, cần làm nhỏ hơn để đạt mẫu nhựa tốt hơn.
ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Chương 5 cho thấy sau khi chế tạo và vận hành thử nghiệm, máy băm chai nhựa PET đến 500 ml hoạt động ổn định và cho ra phần lớn mảnh nhựa có kích thước đáp ứng yêu cầu Việc ứng dụng ADT đóng vai trò quan trọng, giúp phân tách các yêu cầu chức năng và từ đó xác lập các tham số thiết kế phù hợp cho các chi tiết vật lý, hạn chế sai sót trong thiết kế và đảm bảo máy vận hành trơn tru Thành công trong chế tạo và vận hành máy băm chai nhựa PET cho thấy tính khả thi và hiệu quả cao của việc ứng dụng ADT vào thiết kế thực tiễn như mong đợi.
Việc ứng dụng ADT trong thiết kế máy băm nhựa hiện mới dừng lại ở tiên đề 1 – tiên đề độc lập, nơi phân tích chức năng được dùng để xác định các tham số thiết kế nhằm tạo ra các chi tiết vật lý đáp ứng các yêu cầu chức năng của máy Các phân tích dựa trên sự tuân thủ tính độc lập của tiên đề 1, với mỗi yêu cầu chức năng gắn với đúng một tham số thiết kế Tuy nhiên ở tiên đề 2, thiết kế này có thể chưa phải là thiết kế tối ưu nhất để thỏa mãn tiên đề 1 cho máy băm nhựa.
Trong khi vận hành thử nghiệm máy vẫn còn một số hạn chế khi máy hoạt động như:
- Máy còn rung lắc khi tải nặng, do khung máy và chân đế chưa cứng vững
- Chiều dài của số ít mảnh nhựa chưa đạt đúng kích thước (>8mm)
- Vẫn còn một số mảnh nhựa bị văng ra bên ngoài thùng chứa
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một máy băm chai nhựa PET dựa
Máy vận hành ổn định, băm được chai nhựa PET thành các mảnh nhựa phần lớn có kích thước đạt yêu cầu (mảnh nhựa từ 2-8mm)
Việc ứng dụng ADT vào thực tiễn thiết kế mang tính khả thi cao và đạt hiệu quả lớn Đề tài đã tham gia các sự kiện khoa học quan trọng như cuộc thi EUREKA (phụ lục 1), Hội nghị Khoa học trẻ lần thứ ba (phụ lục 2) và Hội nghị Cơ khí toàn quốc lần thứ VI – 2021 (phụ lục 3).
Sau khi hoàn thiện máy và tiến hành vận hành thử nghiệm, nhóm nhận thấy một số hạn chế của hệ thống cần được khắc phục Trên cơ sở đó, nhóm đề xuất các biện pháp cải tiến khả thi, đảm bảo còn phù hợp với điều kiện về kinh phí và thời gian, nhằm nâng cao hiệu suất, độ ổn định và độ tin cậy của máy trong quá trình vận hành.
- Tăng bề dày thành hộp, đưa ổ lăn vào trong thành hộp để tăng độ đồng tâm của trục và khớp nối khi tải nặng
- Hoàn thiện bộ điều khiển điện trên máy
- Sử dụng đúng vật liệu làm trục và dao trong bản thiết kế
- Thiết kế phần thu liệu, cải tiến chân máy để giảm rung động khi vận hành
Phương hướng nghiên cứu tiếp theo:
Việc ứng dụng ADT trong đề tài hiện mới chỉ dừng ở tiên đề 1, do đó cần tiếp tục với tiên đề 2 để bổ sung thông tin và dữ liệu cho quá trình thiết kế Tiên đề 2 đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp thông tin vào quá trình hoàn thiện thiết kế máy, từ đó hướng tới thiết kế tối ưu nhất cho máy băm nhựa Việc mở rộng sang tiên đề 2 cho phép phân tích, tối ưu hoá các tham số vận hành như hiệu suất cắt, công suất và độ bền kết cấu, đồng thời nâng cao tính khả thi và hiệu quả sản xuất Nhờ đó, kết quả thiết kế máy băm nhựa sẽ dựa trên thông tin đầy đủ từ ADT, đảm bảo một thiết kế tối ưu, an toàn và tiết kiệm chi phí.
- Nâng cao năng suất máy, đưa ra môi trường sản xuất công nghiệp
5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
- 01 bài báo tạp chí IUH;
- 01 bài báo Tạp chí Cơ khí Việt nam số đặc biệt 12/2021;
- 01 giải pháp hữu ích (đã nộp hồ sơ);
- 01 thiết bị nhiệt băm chai nhựa;
- 01 tập bản vẽ thiết kế;
- 01 giản đồ phân tích ánh xạ các miền chức năng của thiết bị băm nhựa
Như vậy, các kết quả trên đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu về các kết quả nghiên cứu và công bố của đề tài
6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh) Đề tài nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm một thiết bị băm chai nhựa dùng phương pháp thiết kế theo tiên đề kết hợp với phương pháp Taguchi Đồng thời, biên dạng dao băm cũng được nghiên cứu và tối ưu hóa dùng một phương pháp tối ưu hóa kép, kết hợp giữa mảng trực giao và phương pháp bề mặt đáp ứng Đầu tiên, những công trình nghiên cứu trên thế giới dùng lý thuyết thiết kế theo tiên đề (ADT) được tổng hợp và phân tích, cả về phạm vi áp dụng và những ưu nhược điểm Sau khi những lợi ích mà ADT có thể mang lại cho việc thiết kế nói riêng và nghiên cứu khoa học nói chung được hiểu rõ, lý thuyết ADT được chuyển ngữ, biên dịch từ sách gốc của tác giả Theo đó, thiết kế theo tiên đề là xem xét thiết kế một cách khoa học, để từ đó cung cấp một khung nền cơ bản để hiểu các hoạt động thiết kế Sau đó, lý thuyết ADT được vận dụng để thiết kế một thiết bị băm chai nhựa cũng như phân tích và khắc phục những lỗi thiết kế Ở bước tiếp theo, các thông số hình dạng hình học của dao băm được tối ưu hóa dùng phương pháp Taguchi, RSM Cuối cùng, phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm được sử dụng để nghiên cứu, xem xét những đặc tính của dao băm cải tiến để rút ra những kết luận bổ ích cho nghiên cứu lẫn cho thực tiễn sản xuất
The purpose of this study is to design, fabricate and test a device for shredding plastic bottles utilizing the axiomatic design theory (ADT) combined with the Taguchi
ADT was synthesized and analyzed to assess its scope of application and its advantages and disadvantages Once the benefits of ADT for design—both in specific design tasks and in scientific research—were understood, the theory was translated and compiled from the author's original book Accordingly, ADT represents the scientific consideration of design, providing a basic framework for understanding design activities The framework was then applied to design a device for shredding plastic bottles, as well as to analyze and correct design errors In the next step, the geometrical parameters of the shredder blade were optimized using Taguchi methods and response surface methodology (RSM) Finally, empirical analysis was used to study and review the characteristics of the improved blade, drawing useful conclusions for both research and production practice.
III SẢN PHẨM ĐỀ TÀI, CÔNG BỐ VÀ KẾT QUẢ ĐÀO TẠO 3.1 Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt được
1 Thiết bị băm chai nhựa Kích thước: ~
Kích thước: ~ 1153×783.5×340 mm, công suất 750W
2 Nhựa băm Kích thước: 2 – 8 mm
3 Tập bản vẽ thiết kế 2D và 3D Đầy đủ dung sai kích thước và yêu cầu kỹ thuật Đầy đủ dung sai kích thước và yêu cầu kỹ thuật
4 Giản đồ phân tích ánh xạ các miền chức năng của thiết bị băm nhựa
Rõ ràng, đúng thực tế
Rõ ràng, đúng thực tế
5 Bài báo Tạp chí IUH Chấp nhận đăng Chấp nhận đăng
Chấp nhận đăng Chấp nhận đăng
7 Bài báo tạp chí Cơ khí
Việt Nam số đặc biệt
8 Bằng giải pháp hữu ích Không Nộp hồ sơ
Trong báo cáo, các ấn phẩm được đính kèm dưới dạng bản photo và đặt trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo Đối với các ấn phẩm là sách hoặc giáo trình, cần có bản photo đầy đủ của trang bìa, trang chính và trang cuối, kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản.
Thời gian thực hiện đề tài
Tên đề tài Tên chuyên đề nếu là NCS
Tên luận văn nếu là Cao học Đã bảo vệ
VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ BĂM CHAI NHỰA DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THEO TIÊN ĐỀ
Để hoàn chỉnh báo cáo khoa học và tối ưu khả năng tìm kiếm, cần đính kèm bản sao trang bìa của chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn; phần này được thể hiện ở trang cuối của báo cáo khoa học.
IV TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KINH PHÍ
Kinh phí được duyệt (đồng)
Kinh phí thực hiện (đồng)
2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con, 44,225,000 44,225,000
6 Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu giữa kỳ
7 In ấn, Văn phòng phẩm 2,184,400 2,184,400
V KIẾN NGHỊ (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài) Đề xuất Khoa Công nghệ Cơ Khí cho phép sử dụng thiết bị băm chai nhựa cho các nghiên cứu tiếp theo
VI PHỤ LỤC SẢN PHẨM (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
1 Tập bản vẽ thiết kế 2D và 3D
2 Bài báo Tạp chí IUH
4 Bài báo tạp chí Cơ khí Việt Nam
5 Hồ sơ giải pháp hữu ích
6 Bản photo trang bìa khóa luận tốt nghiệp đại học + Giấy khen Eureka 2021
Tp HCM, ngày tháng năm
Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT
(ĐƠN VỊ) Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)