Hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông

Hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông, phải là một hệ thống thiết bị điện hoàn chỉnh, làm việc với điện lưới công nghiệp 380V. Có khả năng định lượng tự động một cách chính xác khối lượng cấp phối các thành phần: Xi măng, cát, đá, nước.. cho từng mẻ trộn cũng như tỷ lệ cấp phối cho từng loại mác bê tông. Để đáp ứng yêu cầu công nghệ phù hợp với hệ thống cơ khí, cần phải phối hợp điều khiển các cơ cấu công tác chấp hành như các động cơ, xilanh khí nén

CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Hệ thống điều khiển trạm trộn bê tông, phải là một hệ thống thiết bị điện hoàn chỉnh, làm việc với điện lưới công nghiệp 380V Có khả

năng định lượng tự động một cách chính xác khối lượng cấp phối các thành phần: Xi măng, cát, đá, nước cho từng mẻ trộn cũng như tỷ lệ cấp phối cho từng loại mác bê tông Để đáp ứng yêu cầu công nghệ

phù hợp với hệ thống cơ khí, cần phải phối hợp điều khiển các cơ cấu công tác chấp hành như các động cơ, xilanh khí nén

Trên cơ sở công thức phối liệu do người sử dụng đặt vào trước đó, hệ thống điều khiển sẽ tiến hành đóng mở các van khí cấp liệu một cách thích hợp sao cho các thành phần phối liệu được đưa vào buồng trộn theo đúng khối lượng và công nghệ yêu cầu Việc thay đổi tỷ lệ của

từng loại mác bêtôn cần được thao tác thuận tiện và nhanh chóng,

không quá phức tạp đối với người sử dụng Hệ thống cũng cần phải có đầy đủ phần hiển thị tình trạng hoạt động của trạm, giúp người vận

hành dễ dàng theo dõi, can thiệp trong khi hoạt động, cũng như đảm bảo các thiết bị đóng cắt an toàn, cho cả hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành của trạm

Ngoài ra về mặt công nghệ, do nhu cầu sử dụng ngoài trời, trong môi

trường công nghiệp khắc nghiệt với nhiệt độ và độ ẩm tương đối lớn, nên

hệ thống điều khiển cần có độ tin cậy của các thiết bị thành phần, nhất làcác bộ xử lý, các hệ thống đo lường, cảm biến Hơn nữa trong quá trình định lượng, những sai sót trong việc đóng mở sớm hoặc chậm của cơ cấu chấp hành là không thể tránh khỏi, do đó các trạm trộn hiện đại còn có thêm bộ so sánh

7.2 Nguyên lý làm việc và cấu tạo của hệ thống

Sơ đồ cách đấu nguồn điện của tủ điện (hình 7.1)

Với sơ đồ trên điện áp từ điện lưới được dẫn vào tủ điện nhờ

đóng attômat 200A, GZ là các cầu chì đảm bảo an toàn Vôn kế

(V) đo điện áp pha mạng điện Dòng điện qua thiết bị kiểm tra

ba pha KTF, ổn áp lấy ra điện áp 220V cho ổ cắm bảng tính điện

tử BUCODAT và ổ cắm đầu vào PLC Mạch điều khiển được lấy

Hình 7.1 Cách đấu vào nguồn điện của tủ điện

các khối chính như sau:

Cụm cân (đo trọng lượng các thành phần phối liệu): bao gồm các đầu cân(cảm biến trọng lượng( Load cell), các cơ cấu chấp hành liênquan như các van khí nén đóng mở các cửa cấp liệu, vít tải bơm xi măng, bơm cấp nước

Cụm gầu kéo: các công tắc hành trình, động cơ kéo gầu

Cụm cửa xả: các cửa xả nước, xi măng, bêtông sau khi đã trộn

Khối xử lý khả lập trình (PLC): xử lý logíc các hành trình, theo qui trình công nghệ được lập sẵn

Sơ đồ nguyên lý của trạm được trình bày như trên hình( Hình 7.2)

* Cấu hình của hệ thống bao gồm:

- Cụm cân:

01 bộ BUCODAT – 2 dùng cho cân cốt liệu và cân xi măng

01 bộ WE 31-82 dùng cho cân nướcDưới đây là bảng kê các thiết bị điện tử:

STT Tên chi tiết Số lượng Nước sản xuất

3 Đầu đo cân cốt liệu 03 CHLB Đức

4 Đầu đo cân Ximăng 03 CHLB Đức

5 Hộp nối đầu đo cân cốt liệu 01 CHLB Đức

6 Hộp nối đầu đo cân Ximăng 01 CHLB Đức

7 Hộp nối cân nước 01 CHLB Đức

8 Hộp nguồn cân nước 01 CHLB Đức

9 Cân nước (TD 200 or WLC2) 01 CHLB Đức

10 Hộp rơ le điều khiển 01 CHLB Đức

* Tủ điều khiển trung tâm:

Bộ máy tính công nghiệp PLC S7-200: điều khiển toàn bộ quá

trình hoạt động của trạm trong chế độ tự đông

Cỏc khối rele trung gian, cỏc cụng tắc điều khiển, cỏc đốn tớn hiệutheo sơ đồ cụng nghệ đó đặt ra

Tủ điều khiển động lực: cỏc thiết bị đúng cắt, cỏc thiết bị bảo vệ ngắn mạch và quỏ tải

Hỡnh 7.2 Sơ đồ nguyờn lý điều khiển trạm

cân cốt liệu

6

cân

nứơc

1 2 3

4

Cân ximăng

điện động lực Cơ cấu chấp hành(Điều khiển toàn trạm)

(Các cửa xả nứơc, ximăng, bêtông)

(Các công tắc HT,

động cơ kéo skíp) (Các cửa cát đá,

vít tải, bơm nứơc)

Hình 7.3 Sơ đồ điều khiển đầu vào PLC

®Çu vµo plc

C©n GÇu Cöa x¶

T T T

T§

T§

T§

DS1 DS2 DS3

00 01 02 03 04 05 06 07

PE1 EM1 DS PE2

30 31 32 33 34 35 36 37

CPU 226

110 223

220

225 111

210 105

212

104 103

207 2L

230 235

232 113

112 228

231Q1.2

227 R12

R13

3L

R11 153

102 204 101 201

203 206

Q0.0 Q0.1 151

1L

221 R12

R11 214 211

226 R6 R7

R11

R12

R7 R6 R5 R4

R3

KD c©n 1 K§ c©n 2

Nø¬c Xim¨ng

R2 R1

X¶xi X¶nø¬c

154

Q1.5 115

254

246 114

§T2

248 R16

R15 T2

R16 116 Q1.6

GÇu xuèng

B¶o vÖ gÇu 4L

Hình 7.4 Sơ đồ điều khiển đầu ra PLC

§TT

MTT

m¹ch c«ng t¾c hµnh tr×nh

440 T§ C©n T

441 T§ C©n T

442 T§ GÇu T

443 T§ GÇu T

444 T§Cöa x¶ T

445 T§Cöa x¶ T

446 447

§Çm rung

K15

F2R15

K20R16

K21m¹ch §iÒu khiÓn c¸c van

Hình 7.8 Sơ đồ mạch động lực

Cụm cân: hệ thống làm việc ở hai chế độ: chế độ cân tự động và chế

độ cân băng tay Chế độ bằng tay: đường 67 có điện áp 24V đến điểm giữa của công tác 4 vị trí 1L Khi cần xả thành phần1(TP1: ví

dụ đá 1), công tắc bật đến đường 100, cấp 24V một chiều qua diode đến điểm 200, đặt áp điều khiển lên rele trung gian R1 Khi ben cốt liệu ở vị trí cuối, công tắc hành trình ĐT0 (Điểm Trên 0) được nối, rele R1 làm việc qua đường 67-1L-100-200-57, tiếp điểm của nó nối đường 66-300-56, đặt 220V lên cuộn hút của van VTP1 (Van Thành Phần 1), mở của cấp liệu đá 1 đổ xuống gầu cân Người vận hành nhìn chỉ số cân trên đồng hồ để điều khiển, khi nào thì chuyền đến TP2 Tương tự như vậy, R2 làm việc qua dường 101-203-57, sẽ đóngvan VTP2

Khi ở chế độ tự động, chuyển mạch T-ĐT nối 24V từ đường 67 đến 151, cấp điện đến khối chấp hành của PLC, khi các đầu ra của PCL hoạt động, Q0.0, Q0.1 sẽ đóng các rele R1, R2 tương ứng Các cơ cấu chấp hành (VTP1, VXN ) sẽ hoạt động theo đúng qui trình đã lập sẵn, người vận hành chỉ theo dõi, không phải trực tiếp điều khiển cân

Các cụm cửa xả, cụm gầu kéo cũng tương tự, hoặc là được điều

khiển bởi công tắc chuyển mạch trên bàn điều khiển( 110, 111 4L-114, 4L-115 ) trong chế độ bằng tay, hoặc điều khiển bởi đầu ra của PLC Q1.0, Q1.1 Q1.6 trong chế độ tự động

3L-Sơ đồ động lực(Hình8.1)

Để điều khiển gầu lên, Rơle R15 đóng K21, đóng 3fa 380 cho đông

cơ D1, tiếp điểm thường đóng R15 ngắt mạch 255 của R16, khoá lẫn chiều xuống, động cơ chạy đến điểm hành trình trên, chạm công tắc ĐT1 thì dừng lại Tiếp điểm của nó báo đến đầu vào I2.6 của PLC qua đường 67-26, chuyển trạng thái tiếp theo trong chế độ tự động,

còn trong chế độ bằng tay thì nó ngắt tác dụng của chuyển mạch

L4-114 Qui trình hoạt động tương tự như thế với hành trình xuống của gầu qua R16, K20, đặt áp 380 đảo fa cho động cơ D1 quay theo

chiều ngược lại Các động cơ khác như bơm nước, vít tải, đầm rung làm việc theo chế độ on/off, cũng được điều khiển qua các rơle trunggian R6, R7 đóng các K12, 15

CHƯƠNG 8 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM TỜI - GẦU SKÍP

8.1 Giới thiệu chung

Tời kéo cụm gầu nạp cốt liệu để vận chuyển vật liệu từ bunke chứa đến nồi trộn

Gầu nạp gồm có puly kéo gầu được dẫn động nhờ chuyển động của tang truyền quacáp Cụm bánh xe di chuyển và các bánh xe ngoài tác dụng di chuyển còn có tác dụng để mở cửa xả cốt liệu Khi chưa đén vị trí xả liệu hai bánh xe sau của gầu đóng vai trò di chuyển, đến vị trí xả liệu hai bánh xe sau bị giữ lại bởi các rãnh trên ray Lúc này hai bánh xe phụ ở sau cùng bắt đầu tham gia vào quá trình chuyển động và cửa xả liệu bắt đầu mở ra

Tời kéo gầu có nhiệm vụ kéo gầu lên trong 20s và hạ gầu xuống trong 20s Thời gian xả cốt liệu từ gầu nạp đến nồi trộn là 10s

8.2 Tính toán về cụm gầu – puly

8.2.1 Tính toán các lực tác dụng lên gầu

Các số liệu sơ bộ của gầu:

Coi hình bao gầu có dạng hình hộp chữ nhật như (hình 8.1)

+ Chiều dài 2,3m, chiều rộng 1,6m

+ Chiều cao 0,85m, bề dày tôn chế tạo gầu 6mm

+ Thể tích gầu chứa Vgàu = 0,5.2,3.1,6.0,85 = 1,6m3

+ Khối lượng của gầu có thể sơ bộ tính như sau:

mgàu = 2(2,3 +1,6).085.0,006.γ

=0,03978.7860 = 315(kg)+ Khối lượng của gầu cộng với cốt liệu:

Hình 8.1 Các kích thước bao của gầu

Do đó trọng lượng của gầu chứa cốt liệu là:

G = m( g à u + c l ) g = 2247.9,81 = 22043(N)

+ Lực cản do gầu và cốt liệu gây ra theo phương chuyên động

Gsin∝

= 22043.sin700 = 20713(N)

+ Lực cản mở cửa xả trước khi gầu bắt đầu xả Lúc này bánh xe mở cửa

xả đóng vai trò bánh xe di chuyển trên ray Lực cản đóng vai trò phảnlực tác dụng lên hai bánh xe

Fc = N = G.cos∝

= 22043.cos700 = 7539(N)+Lực cản do di chuyển ma sát:

Được xác định theo công thức trong trang 76 TL[7]

Wm S = G

k D

d f bx

2 + µ

Trong đó:

G – Trọng lượng gầu và cốt liệu, G = 22043(N)

f – Hệ số ma sát trong ổ đỡ bánh xe, f = 0,015 trang 51TL [7]

(8.2)Trong đó:

Q- Tải trọng nâng lớn nhất hay là lực căng cáp kéo gầu

Sđ - Lực kéo đứt cáp lớn nhất tính theo lực căng Sm a x

8.3 Tính toán tang cuốn cáp

8.3.1 Tính toán các kích thước của tang và cáp

- Chiều sâu rãnh xoắn h = 0,5.dc =0,5.13=6,5(mm)

- Chiều dày tang làm bằng thép đúc

δ

=0,01.Dt + 3mm = 5,5(mm), Nhưng chiều dày tang không

nhỏ hơn 12mm nên chọn δ

= 13(mm)Tang dùng trong tời là tang đơn có xẻ rãnh vì palăng là palăng đơn loại 2

Ta chọn phương án thiết kế lớp cáp của tang chỉ có 1 lớp cáp Do đó chiều dài làm việc của tang đơn một lớp cáp được xác định theo công thức(1.15) trong TL[8]

Trong đó: H – chiều cao nâng chính bằng chiều dài ray mà gầu di chuyển H =

a- Bội suất palăng cáp, a = 2

D - đường kính tang tính từ tâm lớp cáp thứ nhất, D = 260mm

Lt = 25.16 = 400(mm)

Hình 8.4 Tang đơn

Đối với tang đơn như (hình 8.4), ta phải đảm bảo khi puly luồn qua ở vị trí cao

nhất thì khoảng cách lR đối với tang có xẻ rãnh sao cho

LC = a.H + 1,5.π

.Dt = 2.7,5 + 1,5.3,14.0,247 = 16,2(m)Thép chế tạo tang là thép BCT3

Đầu mút của cáp được kẹp chặt bởi bulông vít như (hình 8.5)

L t

α 13

Hình 8.5 Phương pháp cố định đầu cáp trên tang

f – Là hệ số ma sát giữa cáp và tang f = 0,14 ∝

- Góc ôm của cáp trên tang, ∝

Thay số vào ta tính được: S0 = 2883(N)

- Lực tác dụng lên bulông kẹp với cặp rãnh thang:

P = sinβ cosβ

0

f

f f

S

+

+

(8.5)Thay các số liệu vào ta được: P = 8826(N)

Ưng suất tổng trong bulông kẹp có kể đến lực uốn

σ

=

Z d

P n

4

3,1

2 1

π

+

Z d

l P f n

1,0

3 1

≤

[σ

]k (8.6)Trong đó: n ≥

1,5 – hệ số an toàn bên của bulông, chọn n = 1,5

Z – Số bulông kẹp cáp, Z =2 l- Tay đòn đặt lực S1 gây uốn bulông và được tính từ điểm giữa đoạn tiện ren trên tang đến tâm cáp l =2(cm)

1,3 – Hệ số kể đến ứng suất xoắn xuất hiện khi siết bulông [σ

]k – ứng suất kéo cho phép của bulông

[σ

]k = 1,5

.8,

0 σT

, Với thép BCT3 có σ

T = 22(kN/cm2)[σ

]n được lấy giảm đi

σ

n =

k t

D

n t

(

(8.7)

131

(

10790

−

= 5476(N/cm2) ≤ 22000/1,5 = 14666(N/cm2)Vậy thoả mãn điều kiện (8.7)

2,

] – ứng suất cho phép, chọn vật liệu chế tạo trục là thép 45

1332565

≥

= 68,3mm)Chọn sơ bộ d = 70mm

*Tính gần đúng trục

Tính gần đúng trục xét đến cả mômen uốn và mômen xoắn

Chọn khoảng cách từ mép ngoài của tang đến tiết diện lắp ổ là 60mm

Mômen uốn MU =

)602

Mtđ =

=+

d =

3

].[

1,

0 tdσ

M

(8.9)Trong đó:

1816415

= 67(mm)Như vậy chọn đường kính lắp với ổ d =70(mm)

*Kiểm nghệm trục về độ bền tĩnh

Để đề phòng khả năng biến dạng dẻo quá lớn hoặc phá hỏng do quá tải đột ngột (chẳng hạn khi mở máy) cần tiến hành kiểm nghiệm trục về độbền tĩnh Công thức kiểm nghiệm có dạng:

σ

t đ = σ2 +3τ2 ≤[ ]σ

(8.10)Trong đó:

σ

=

3 1 ,

0 d

MUMax

,

3 2 ,

* Tính chính xác trục(kiểm nghiệm lại trục về độ bền mỏi)

- Hệ số an toàn tại tiết diện nguy hiểm

n =

n n

n n

τ σ

Y

X K

K K

σψσ

σ σ

Y

X K

K K

τψτ

τ τ

X K

K K

X K

K K

- Các hệ số kể đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung

Kx- Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt, phụ thuộc vào phương phá bình

KY- Hệ số tăng bền bề mặt trục, tra bảng 10.9TL[9] , KY = 1,6 Các trị số của

8.3.4 Tính chọn ổ lăn cho trục puly

8.4 Tính toán thiết kế bộ truyền trong hộp giảm tốc

8.4.1 Tính công suất động cơ kéo gầu

Ta có công thức tính công suất động cơ:

= 0,375(m/s)

N đc = 1000.0,98

375,0.33074

= 12,65(KW)

Chọn loại dộng cơ MTB 312 – 6, Nđc =13KW

Tốc độ động nđc = 970 (v/ph)

8.4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền trong hộp giảm tốc

Tỷ số truyền trong hộp giảm tốc được chọn theo công thức:

.

.

π

Trong đó :V- Là vận tốc nâng gầu (m/ph), V = 60.0,375= 22,5(m/ph)

a- Bội suất palăng nâng vật, a = 2

D- Đường kính tang tính đến tâm cáp, D =0,26(m)

nt = 0 , 26

2 5 ,

970

= 18Phân phối tỷ số truyền cho các cấp bánh răng trong hộp giảm tốc hai cấp bánh răngtrụ phân đôi thoả mãn đồng thời ba chỉ tiêu:

Như vậy HGT phân đôi với các số liệu sau:

P1 = 13(KW), n1 = 970(v/ph), i = 18 Bộ truyền quay theo hai chiều

Chọn sơ đồ phân đôi ở cấp nhanh vì với kết cấu này cấp chậm chịu tải trọng lớn hơn có thể chế tạo với chiều rộng vành răng khá lớn nhờ vị trí bánh răng đối xứng với các ổ có thể khắc phục sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng.

Chọn vật liệu cho hai cấp bánh như nhau:

+ Bánh nhỏ: Thép 45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB1 =245 có σ 1

=

850(MPa); σch1

= 580(MPa)+ Bánh lớn: Thép 45 tôi cải thiện đạt độ rắn HB2 =230 có

σ 2

= 750(MPa); σch2

= 450(MPa)

* Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép

- ứng suất tiếp xúc cho phép của cấp nhanh[σH

] :+ Đối với bánh nhỏ[σH

(MPa) lần lượt là ứng suất tiếp xúc cho

phép với số chu kỳ cơ sở, trị số của chúng tra bảng6.2 TL[9]

+ KH L- hệ số tuổi thọ, xét đến ảnh hưởng của thời hạn phục vụ và chế

độ tải trọng của bộ truyền, KH L =1

+ SH – hệ số an toàn tính về tiếp xúc, cũng theo bảng 6.2, SH = 1,1[σH

]1= 560.1/1,1 = 509(MPa)

]2=(509+ 481,8)/2 = 495,4(MPa)≤ 1,25[σH

]2

-ứng suất tiếp xúc cho phép của cấp chậm [σH

]’:Cấp chậm dùng răng thẳng và ta vẫn có KH L = 1, do đó [σH

]’= [σH

]2 = 481,8(Mpa)

* ứng suất cho phép về bền uốn [σF

] : [σF

][

ba H

H

i

K T

ψσ

,495

15,1.127989

= 196(mm)Trong đó:

Theo bảng 6.6 TL[9], chọn tỷ số giữa chiều rộng vành răng và khoảng

Hình8.6 Sơ đồ phân đôi cấp nhanh của hộp giảm tốc

b) Xác định các thông số ăn khớp

Theo (6.17) TL[11], môđun m =(0,01÷

0,02)196 =1,96÷

3,92mm, theo bảng 6.8 chọn m = 3

Chọn sơ bộ góc nghiêng của bánh răng β

= 100, do đó cos β

= 0,9848, theo công thức (6.31) số răng bánh răng nhỏ

c) Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Theo(6.33) trong TL[9], ứng suất tiếp xúc trên mặt răng làm việc

σH

= ZM.ZH.Zε 2 T1. KH.( i1+ 1 ) /( bW. i1. dW21)

(8.15)Trong đó:

ZM= 274(Mpa)1 / 3 -là hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp, tra bảng 6.5 TL[9]

ZH – là hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc

ZH = b tW

α

β /sin2cos

.2Trong đó:

= 0,7835Với ε∝

=2,805

- Hệ số kể đến tải trọng động suất hiện trong vùng ăn khớp trị số của

β

.KH

∝

.KH V=1,14.1,16.1,03 =1,362Thay các giá trị vừatính được vào (8.15)

Ta tính được σH

= 465(Mpa), theo(6.1) TL[9], với v = 3,159(m/s) < 5(m/s), Zv= 1; với cấp chính xác động học là 9, chọn cấp chính xác về mức tiếp xúc là 8, khi đó cần gia công đạt độ nhám Ra=2,5µ

H< [σ

H], thoả mãn điều kiện bền về tiếp xúc

d) Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn

Theo(6.43) σ

F 1 = 2.T1.KF.Yε

.Yβ

.YF 1/(bW dW 1.m)Theo bảng 6.7TL[9], KF

β

= 1,31; theo bảng 6.14 với v<5(m/s) và cấp chính xác 9 KF

F 2] = 237,4(MPa)Thay các giá trị vừa tính được vào công thức trên:

e) Kiểm nghiệm răng về quá tải

Khi làm việc bánh răng có thể bị qua tải (như lúc mở máy, hãm máy v.v.) Vì vậy cần kiểm tra răngvề quá tải dựa vào ứng suất tiếp xúc cực đại và ứng suất uốn cực đại

1 = 631(MPa) < [σ

F 2 m a x = σ

F 2.Kq t = 88,91.1,8 = 160(MPa) < [ σ

F 2]m a x

Vậy đảm bảo an toàn về quá tải

g) Các thông số và kích thước của bộ truyền

Khoảng cách trục aw 1 = 196(mm)

Môđun pháp m = 3(mm)

Chiều rộng vành răng bw = 59(mm)