BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY XOẮN CÁP ĐÔI DESIGN OF PAIR CABLE TWISTING MACHINE

- Giá thành rẻ- Kích thước nhỏ gọn - Tùy chỉnh được số sợi dây - Cách điều khiển máy đơn giản, tốn ít nhân công 1.3.3 Đối với khách hàng là cơ quan kiểm định: 1.3.5 Đối với khách hàng là

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

KHOA CƠ KHÍ

-oOo -BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY XOẮN CÁP ĐÔI

DESIGN OF PAIR CABLE TWISTING MACHINE

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 04 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG TP HCM, Banchủ nhiệm Khoa Cơ khí và Ban Tổ chức Hội nghị đã tạo điều kiện cho chúng em mọi điều kiện thuận lợi để báo cáo tốt bài báo và tìm hiểu được thêm những kiến thức bổ ích cho bài báo của mình

Em cảm ơn các thầy cô trong Ban thư kí, Ban chuyên môn, Đoàn thanh niên Khoa CơKhí đã tham gia vào công tác tổ chức hội nghị Và rất trân trong gửi lời cảm ơn đến quýthầy cô Khoa Cơ Khí đã tham gia phản biện, góp ý hoàn thiện bài báo

Em cảm ơn thầy Phạm Huy Hoàng đã hướng dẫn em hoàn thành tốt bài báo

Trân trọng cảm ơn

CHƯƠNG 1: TẠO Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

1.1 Đặt vấn đề:

- Nhu cầu dây cáp điện sử dụng để truyền tải mạng điện cao áp, trung áp, hạ áp và trong cácngành công nghiệp, trong dân dụng ngày càng tăng Đồng thời nước ta đang trong giai đoạn côngnghiệp hóa, hiện đại hóa nên các nhà máy, khu dân cư ngày càng tăng do đó nhu cầu dây điệncũng tăng theo

- Trước đây, chúng ta thường có xu hướng nhập khẩu các thiết bị, máy móc, công nghệ nướcngoài trong khi đó nếu tự chế tạo và sản xuất thì giá thành giảm còn 0.5-0.7 lần giá nhập khẩu

- Dây cáp điện gồm nhiều sợi bện lại có nhiều ưu điểm hơn so với dây điện một lõi lớn như giảmđiện trở, độ bền độ dẻo dai cao hơn,…

-> Do đó máy xoắn cáp là một thiết bị rất cần thiết phục vụ cho việc sản xuất dây cáp điện nhiềulõi trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa

1.2 Nhận dạng khách hàng:

- Tiến hành thu thập thông tin từ các đối tượng: Công ty sản xuất máy móc, khách hàng muamáy, công nhân trực tiếp vận hành,cơ quan kiểm định, công ty vận chuyển

1.3 Xác định nhu cầu của khách hàng:

1.3.1 Đối với khách hàng là công ty sản xuất máy móc:

- Dễ chế tạo

- Cơ cấu truyền động đơn giản

- Có hệ thống điều khiển

1.3.2 Đối với khách hàng công ty mua máy:

- Máy xoắn được cáp

- Điều chỉnh được tốc độ, chiều quay

- Năng suất cao

- Độ bền tốt, làm việc lâu dài

- Giám sát được số lượng sản phẩm và tốc độ quay của khung quay, tang cuốn

- Dễ sửa chữa, thay thế

3

- Giá thành rẻ

- Kích thước nhỏ gọn

- Tùy chỉnh được số sợi dây

- Cách điều khiển máy đơn giản, tốn ít nhân công

1.3.3 Đối với khách hàng là cơ quan kiểm định:

1.3.5 Đối với khách hàng là công ty vận chuyển:

- Kích thước và trọng lượng sản phẩm trong giới hạn cho phép

- Các phần có thiết bị điện tử có thể tách riêng để vận chuyển riêng

1.4 Đánh giá tầm quan trọng trong số các nhu cầu của khách hàng:

1.4.1 Đối với khách hàng là công ty mua máy:

- Máy xoắn được cáp

-> Ưu tiên hàng đầu khi mua máy là máy phải cho ra được sản phẩm

- Điều chỉnh được tốc độ, chiều quay

- Năng suất cao

- Tùy chỉnh được số sợi dây

-> Sau khi máy chạy ra được sản phẩm thì cần quan tâm đến khả năng hiệu chỉnh sản phẩm cũngnhư năng suất Đối tượng hướng đến để mua máy là các công ty lớn đồng thời sản phẩm là dâycáp điện nên đòi hỏi yêu cầu về sản lượng là rất lớn Vì thế 2 yêu cầu này tầm quan trọng nhưnhau

- Độ bền tốt, làm việc lâu dài

-> Sản phẩm là dây cáp điện nên phần thay đổi chủ yếu về thiết kế vỏ bọc bên ngoài còn phầnxoắn dây ở lõi vẫn như nhau nên đòi hỏi máy phải làm việc lâu dài

- Giám sát được số lượng sản phẩm và tốc độ quay của khung quay, tang cuốn

-> Khi các yêu cầu về sản phẩm và năng suất và độ bền đạt được thì lúc này công ty quan tâmđến phần kiểm soát số lượng sản phẩm Về cơ bản thì có thể dựa vào tổng nguyên liệu trước khixoắn dây có thể tính ra số lượng sản phẩm vì qua máy các dây cáp được xoắn lại và hầu nhưkhông có tổn thất Do đó yêu cầu này không cần quan tâm nhiều nhưng nếu có thì càng tốt,chẳng hạn trong quá trình xoắn dây cáp nào đó bị đứt và phải nối lại làm tổn thất thì lúc đó nếu

có phần kiểm soát ở sản phẩm ra thì có thể xác định chính xác số lượng sản phẩm đang có

- Cách điều khiển máy đơn giản, tốn ít nhân công

-> Khi máy móc có cách điều khiển đơn giản thì thời gian để đào tạo người công nhân vận hành

sẽ nhanh hơn, chi phí về đào tạo giảm xuống đồng thời với công việc không đòi hỏi nhiều chấtxám thì lương trả cũng sẽ thấp hơn Số lượng nhân công để vận hành máy ít thì công ty sẽ giảmbớt được các chi phí về lương cũng như chi phí bảo hiểm, ăn ở, đi lại,…

- Dễ sửa chữa, thay thế

- Giá thành rẻ

- Kích thước nhỏ gọn

-> Đối với công ty lớn thì diện tích nhà xưởng lớn, giá thành ít quan tâm so với các yêu cầu về

kỹ thuật cũng như có sẵn đội ngũ kỹ sư để có thể sửa chữa Nên các yêu cầu này có tầm quantrọng ít nhất so với các yêu cầu kia

1.4.2 Đối với khách hàng là công nhân:

- Dễ vận hành

-> Ưu tiên hàng đầu của người công nhân là việc vận hành máy, máy càng dễ sử dụng thì ngườicông nhân càng dễ dàng trong việc vận hành máy, vì cuối cùng người đứng máy chính là ngườicông nhân

1.4.3 Đối với khách hàng là công ty vận chuyển:

- Kích thước và trọng lượng sản phẩm trong giới hạn cho phép

-> Máy xoắn cáp gồm khung quay, hộp tốc độ, tang cuốn, … những chi tiết này có kích thướctương đối lớn nên nếu máy sản xuất mà để nguyên vận chuyển thì rất khó, chỉ có ít công ty mới

có khả năng vận chuyển hàng kích thước lớn được Do đó làm giảm khả năng cạnh tranh củanhững công ty nhỏ

- Các phần có thiết bị điện tử có thể tách riêng để vận chuyển riêng

-> Thiết bị điện tử trong máy xoắn cáp là hệ thống điều khiển, các màn hình hiển thị nếu có thểtách riêng ra thì dễ đảm bảo an toàn hơn trong quá trình vận chuyển

1.4.4 Đối với khách hàng là công ty kiểm định:

- An toàn về điện

- An toàn vận hành

-> Đối với việc kiểm định thì an toàn về phần nào cũng quan trọng như nhau

1.4.5 Đối với khách hàng là công ty sản xuất:

1.5 Các giải pháp kỹ thuật để đáp ứng nhu cầu khách hàng:

Máy xoắn được cáp

Gắn các cuộn dây lên khungquay, việc xoắn dây nhờkhung quay quanh trục

Các cuộn dây được đặt cố định vị trítrên nền xưởng hoặc khung khôngquay, việc xoắn cáp được thực hiện nhờtang cuốn dây tự quay quanh trục

Tùy chỉnh được số sợi

dây

Trên khung quay cósẵn vị trí để gắn cáccuộn dây và tang cuốnthành phẩm đứng yên

Bố trí xung quanhthêm các cuộn dây vàyêu cầu tang cuốnthành phẩm phải quayTruyền động Thủy lực Cơ khí

An toàn điện Nối đất Cầu dao chống giật

ELCB

Kích thước nhỏ gọn

Bố trí dùng 1 khungdây, trên khung dây cónhiều vị trí gắn cáccuộn dây (khung dài)Đối với dây xoắn 2 lớpthì phải chạy 2 lần

Bố trí 2 khung dây với

số dây quấn mỗi lớp ởmỗi khung

Đối với dây xoắn 2lớp thì chỉ chạy 1 lần

là xong

Các cuộn dây đượcđặt trên khung cốđịnh

Điều chỉnh được tốc

độ, chiều quay

Dùng hộp tốc độ cóđảo chiều Dùng biến tần

Giám sát được số

lượng sản phẩm và tốc

độ quay của khung

Dùng encoder để đochiều dài và tốc độ

Dùng loadcell cântrọng lượng thànhphẩm và encoder đotốc độ quay

An toàn vận hành Che chắn các bộ truyền

cẩn thận

Đặt máy khu vực riêngkhông cho công nhântiếp xúc

Hệ thống điều khiển Dùng relay Dùng PLC

Kích thước và trọng Chia máy thành nhiều Chế tạo bằng vật liệu

7

lượng trong giới hạn

cho phép modun để chế tạo nhẹ như nhôm

Các thiết bị điện tử có

thể tách riêng

Tại các vị trí kết nốiđược thiết kế các jackcắm để có thể tháo rời

Cẩn trọng trong quátrình vận chuyển

Số động cơ điện

Dùng 1 động cơ cócông suất lớn dẫn độngtoàn máy

Dùng nhiều động cơnhỏ dẫn động riêngcho mỗi bộ phận

1.6 Đánh giá theo trọng số mối liên hệ giữa nhu cầu và giải pháp:

1.6.1 Máy xo n đ ắn được cáp: ược cáp: c cáp:

Máy xoắn được cáp Gắn các cuộn dây lên khung quay 9

Các cuộn dây được đặt trên khung không quay 3-> Các cuộn dây được gắn lên trên khung nên khi khung quay kết hợp với chuyển động tịnh tiếncủa dây cáp chính tạo ra chuyển động xoắn, khi đó tang cuốn thành phẩm chỉ thực hiện 1 chuyểnđộng duy nhất là cuốn dây để tạo chuyển động tịnh tiến Nhược điểm vì gắn các cuộn dây lênkhung nên làm cho khối lượng khung lớn, đòi động cơ dẫn động phải có công suất lớn, các hộptốc độ cũng có kích thước lớn hơn

Còn đối với phương án còn lại thì thay vì khung dây quay thì tang cuốn lúc này thực hiện cả 2chuyển động là cuốn dây tạo chuyển động tịnh tiến và tự quay quanh trục để tạo thành chuyểnđộng xoắn ,các cuộn dây lúc này được đặt cố định trên khung không quay Ưu điểm phương ánnày là vì chỉ có tang cuốn thành phẩm quay nên khối lượng nhỏ hơn so với khung dây quay, sốlượng hộp tốc độ cần lúc này chỉ là 1 hộp cho tang cuốn Nhược điểm chính là việc tang cuốnvừa phải tạo chuyển động tịnh tiến vừa phải quay quanh trục rất khó, cơ cấu để tạo ra chuyển nàyphức tạp hơn so với phương án khung dây quay rất nhiều

1.6.2 Tùy chỉnh được số sợi dây:

Bố trí dùng 1 khung dây, trên khung dây có nhiều vị trí gắn các

Bố trí 2 khung dây với số dây quấn mỗi lớp ở mỗi khung 9

Các cuộn dây được đặt trên khung cố định 3-> Đối với phương án 3 thì yêu cầu tang cuốn quay nên trong trường hợp này bị đánh giá thấp Còn đối với phương án 1 thì chỉ dùng 1 khung quay nên ít tốn diện tích hơn nhưng khi sảnxuất số lượng lớn mà đối với dây xoắn 2 lớp thì yêu cầu sau khi xoắn xong lớp thứ 1 sẽ đemcuộn dây đó quay trở lại để xoắn lớp thứ 2, khi đó sẽ tốn thời gian để điều chỉnh máy cũng nhưthêm số cuộn dây trên khung quay

Còn đối với phương án 2 thì dùng 2 khung quay nên sẽ tốn diện tích hơn nhưng với 2 khungquay thì sẽ điều chỉnh số cuộn dây trên mỗi khung phù hợp với mỗi lớp, sau khi xoắn lớp thứ

9

nhất ở khung 1 thì dây cáp sẽ tiếp tục được xoắn tiếp lớp thứ 2 và cho ra sản phẩm hoàn thiện,không cần xoay vòng sản phẩm nên năng suất sẽ cao hơn, không cần tốn thời gian điều chỉnhmáy móc giữa 2 lần xoắn như phương án 1.

1.6.5 Điều chỉnh được tốc động: , chi u quay: ền động:

Điều chỉnh được tốc độ, chiều

quay

Dùng hộp tốc độ có đảo chiều 9

Dùng biến tần 6-> Vì khung quay hay tang cuốn có khối lượng nên việc dùng hộp tốc độ để điều chỉnh sẽ cho giáthành rẻ hơn, nếu dùng biến tần thì công suất phải lớn mà giá của biến tần thì khá cao Vận hànhbiến tần đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức còn dùng hộp tốc độ thì việc điều chỉnh cáccấp tốc độ rất đơn giản, không đòi hỏi nhiều về người vận hành

1.6.6 Giám sát:

Giám sát được số lượng sản

-> Về phần đo tốc độ của khung quay nên dùng encoder để dễ dàng giám sát tốc độ

Còn đối với giám sát sản phẩm thì nên dùng loadcell để kiểm soát trọng lượng sẽ dễ hơn sovới việc đo chiều dài thành phẩm trước khi cuốn vào tang thành phẩm Trên cảm biến đo chiềudài có con lăn cần phải được tiếp xúc với dây sau khi xoắn để đo được chiều dài nên mỗi lần làmsản phẩm mới phải cài đặt lại vị trí cảm biến còn dùng loadcell thì không cần cài đặt gì cả, chỉcần đặt cuộn quấn lên cảm biến bắt đầu ghi nhận số liệu

1.6.8 H th ng đi u khi n: ệ thống điều khiển: ống điều khiển: ền động: ển:

Hệ thống điều khiển Dùng rơ-le 9

-> Các chuyển động của máy xoắn cáp đơn giản, ít thay đổi ví dụ như với mỗi bước xoắn đã cómỗi cấp tốc độ khác nhau được quy định trong hộp tốc độ Do đó chương trình điều khiển khôngcần thay đổi nhiều vì vậy dùng rơ-le sẽ kinh tế hơn so với PLC

1.6.9 Các thiết bị điện tử có thể tách riêng:

6

-> Các thiết bị điện tử dễ bị hư hỏng do va đập trong quá trình cẩu lên xuống xe hoặc rung độngtrong quá trình di chuyển nên tháo rời được để vận chuyển thì đảm bảo an toàn hơn, còn nếukhông tháo rời thì trong quá tình vận chuyển phải hết sức cẩn thận, có thể làm chậm tốc độ dichuyển làm tăng chi phí

11

1.6.10 Kích th ước nhỏ gọn: c và tr ng l ọn: ược cáp: ng trong gi i h n cho phép: ớc nhỏ gọn: ạn cho phép:

Kích thước và trọng lượng

trong giới hạn cho phép

Chia máy thành nhiều modun

-> Dùng 1 động cơ công suất lớn nên qua các bộ truyền phân phối các tốc độ khác nhau tới các

bộ phận, khi bật động cơ thì các bộ phận chuyển động đồng bộ cùng nhau do đó đảm bảo tínhđồng bộ là hoàn toàn còn khi dùng nhiều động cơ phải tìm cách để đồng bộ chuyển động các bộphận với nhau Nhưng khi dùng động cơ lớn thì khó tìm mua trên thị trường nên phải đặt sảnxuất riêng làm cho giá thành sản phẩm cao hơn rất nhiều; còn các động cơ nhỏ thì dễ tìm muatrên thị trường, các động cơ này được sản xuất hàng loạt nên giảm thành rẻ Ngoài ra khi dùngđộng cơ lớn thì cần chú ý tới việc khởi động động cơ

Nhưng đối với máy xoắn cáp thì khả năng đồng bộ chuyển động giữa các bộ phận là quantrọng nhất, chẳng hạn như gặp vấn đề không đồng bộ được như khung quay rồi mà tang cuốn dâythành phẩm chưa quay hoặc những bộ phận thì có thể làm hư các cuộn nguyên liệu, do đó nhóm

ưu tiên chọn dùng 1 động cơ điện có công suất lớn

1.6.12 Dễ dàng lắp đặt các cuộn nguyên liệu:

Dễ dàng lắp đặt Dòng ròng ròng 9

Dùng cơ cấu con cóc 3-> Dùng ròng rọc thì việc tháo lắp mỗi cuộn dây khi hết thì phức tạp và khó khăn, bởi khi mỗilần thay dây chúng ta phải di chuyển hệ thống ròng rọc vào, sau đó lại di chuyển ra Ròng ròng

có hệ thống dây không gọn gàng nên khi mang cuộn dây vào tang quay dễ bị vướn vào tangquay.

-> Bố trí cơ cấu con cóc trên tang quay được điều khiển bởi một xy lanh thuỷ lực Khi thay dâychúng ta chỉ cần kích xy lanh thuỷ lực để cơ cấu con cóc đi từng bước, với mỗi bước khung quay

sẽ quay 1 đoạn tới vị trí gắn cuộn dây tiếp theo Khi xong thì cho vận hành chạy bình thường

1.6 Lập bảng vẽ ngôi nhà chất lượng:

13

1.7 Tổng kết các phương án lựa chọn:

Sau khi tổng kết điểm và đánh giá loại trừ các phương án với nhau, máy thiết kế sẽ có:

- Máy xoắn được cáp: Gắn các cuộn dây lên khung

- Tùy chỉnh số sợi dây: Có sẵn vị trí gắn trên các khung

- Kích thước nhỏ gọn: Dùng 2 khung quay

- Giám sát số lượng sản phẩm, tốc độ quay: Dùng loadcell và encoder

- Truyền động: Cơ khí

- Điều khiển: Dùng rơ – le

- Điều chỉnh được tốc độ, chiều quay: Dùng hộp tốc độ có đảo chiều

- Các thiết bị điện tử có thể tách rời: Có jack kết nối

- Kích thước và trọng lượng trong giới hạn cho phép: Chia máy thành nhiều modun

- An toàn điện: Dùng ELCB

- An toàn vận hành: Che chắn các bộ truyền

- Số động cơ điện: Dùng 1 động cơ điện lớn dẫn động cho toàn bộ máy

- Sử dụng cơ cấu con cóc cho việc lắp đặt các cuộn dây vào khung quay

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Xác định thông số thiết kế:

 Năng suất máy: 3000 mm/ph

 Công suất động cơ điện: 40 kW

5 Bộ truyền đai 2 12 Tang cuốn

6 Hộp giảm tốc 2 13 Khung quay 2

7 Hộp tốc độ 1 14 Khung quay 1

15

2.3 Xác định sơ đồ truyền động:

Để tính số vòng quay các trục và phân phối tỷ số truyền đơn giản hơn thì ta chia ra gồm 2

sơ đồ động:

- Sơ đồ động 1: Dùng để tính toán cho đường truyền từ động cơ đến các khung quay

- Sơ đồ động 2: Dùng để tính toán cho đường truyền từ động cơ đến tang cuốn dây cáp phôi thành phẩm

Các sơ đồ như bên dưới:

Hình 2: Sơ đồ động 1

Tính số vòng quay của tang cuốn:

Đường truyền số vòng quay của tang cuốn:

17

Quy tắc phối hợp:

Tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng:

+ Đường kính bánh răng chính bằng đường kính tang = 2000 (mm)

2.4.2 Khung mang 18 cuộn dây cáp phôi:

+ Khối lượng mỗi cuộn là 80 (kg)Khối lượng 18 cuộn là : 18.80 = 1440 (kg)+ Đườg kính của khung quay: Dkhung = 1350 (mm)+ Bề dày của khung: l = 32 (mm)

+ Thể tích của khung: V = S l = 0,046 ( )+ Khung làm bằng vật liệu khối lượng thép có khối lượng riêng : + Khối lượng khung : m = V.D = 0,046.7800 = 358 (kg)

+ Tiết diện của thanh:

Chiều dài của thanh : Khung 18 = 3 x 6

+ Thể tích mỗi thanh :