Để nâng cao năng suất, tiết kệm sức người cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường, độ chính xác và an toàn... thì các thiết bị vận tải liên tục được ứng dụng rộng rãi trong các nghành sản xuất như: xi măng, vận chuyển than,vận chuyển hàng hóa trong các bến cảng, vận chuyển khoáng sản trong các hầm mỏ, vận chuyển nguyên liệu trong các nhà máy công nghệ vi sinh ... Như vậy các thiết bị vận tải liên tục có một phần đóng góp rất quan trọng trong rất nhiều các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế, xã hội nói chung và công nghiệp nói riêng. Với những ưu điểm và ứng dụng rộng lớn của thiết bị vận tải liên tục nói trên, em đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển xi măng”.
Khái niệm
Băng tải là thiết bị chuyên dụng trong công nghiệp, có khả năng vận chuyển hàng hóa như thùng carton, hộp, túi, hoặc vật liệu lớn như đất, đá, xi măng từ điểm này sang điểm khác trong một khoảng cách nhất định Hệ thống băng tải được coi là giải pháp chuyển tải kinh tế nhất cho việc vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu trong sản xuất, phù hợp với mọi khoảng cách.
Một số loại băng tải chính trong sản xuất hiện nay:
Băng tải cao su là loại băng tải phổ biến nhất, được cấu tạo từ vành đai vô tận làm từ vải hoặc cao su Các vòng cao su di chuyển giữa các ròng rọc, được hỗ trợ tại các điểm trung gian dọc theo vành đai Loại băng tải này có khả năng vận chuyển nhiều loại vật liệu, từ đá quặng cho đến bột nguyên chất, với tốc độ điều chỉnh phù hợp theo nhu cầu của thiết bị sản phẩm và quy trình chế biến.
Hình 1.1: Băng tải cao su
Băng tải PVC được thiết kế với nhiều ngăn để chứa sản phẩm, giúp tối ưu hóa quy trình vận chuyển Bảng Air và bảng chuyển bóng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của sản phẩm Ngoài ra, chúng còn hỗ trợ di chuyển sản phẩm giữa các băng tải khác nhau trong hệ thống kết nối.
Băng tải con lăn là thiết bị vận chuyển sử dụng các con lăn để truyền tải hàng hóa và vật liệu nặng, hoạt động hiệu quả cả theo chiều ngang và chiều dọc.
Hình 1.3: Băng tải con lăn
Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của băng tải
Hình 1.4: Cấu trúc chung hệ thống băng tải
Băng tải hoạt động dựa vào lực ma sát giữa bề mặt đai và tang dẫn Cấu tạo cơ bản của băng tải bao gồm nhiều bộ phận thiết yếu.
11 Bộ truyền đai – dây curoa hoặc bộ truyền xích – dây xích
Băng tải hoạt động dựa trên nguyên tắc động cơ gắn vào một đầu của trục Khi động cơ hoạt động, các con lăn quay ngược lại, tạo áp lực lên các tấm thảm cao su hoặc đai xích Nếu được áp dụng đúng cách, lực này sẽ tạo ra chuyển động mạnh mẽ cho băng tải.
Ứng dụng của băng tải
Băng tải là thiết bị vận chuyển hàng hóa phổ biến nhờ vào cấu tạo đơn giản và độ bền cao Chúng có khả năng vận chuyển nguyên liệu dạng hạt, lát và đơn chiếc trên mặt phẳng ngang hoặc nghiêng, với góc nghiêng lên tới 30 độ, tùy thuộc vào tính chất hàng hóa và địa hình Băng tải có thể được cố định hoặc di chuyển, dễ dàng vận hành và điều chỉnh năng suất Với hiệu quả kinh tế cao, làm việc êm ái và tiêu hao năng lượng thấp, băng tải là giải pháp tối ưu cho việc vận chuyển hàng hóa.
Có nhiều loại băng tải được ứng dụng trong các điều kiện làm việc khác nhau, đặc biệt là trong các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ cũng như các công trình thi công lớn Việc sử dụng băng tải không chỉ giúp tiết kiệm sức lao động và thời gian mà còn nâng cao hiệu quả làm việc rõ rệt Mỗi loại băng tải phù hợp với những nhu cầu và tình huống cụ thể.
- Dùng trong các dây chuyền sản xuất.
- Dùng trong các công trình xây dựng trạm thủy điện, bến cảng.
- Trong sản xuất khai thác mỏ, luyện kim, hóa chất, đúc, vật liệu xây dựng.
- Có thể vận chuyển vật liệu rời hoặc vật phẩm thành kiện.
Phương án truyền động
Hệ truyền động điện
Hệ truyền động điện bao gồm các thiết bị điện và điện tử, có chức năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, đồng thời thực hiện việc truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình này.
Cấu trúc chung của hệ truyền động điện gồm 2 phần chính:
Phần lực bao gồm bộ biến đổi và động cơ truyền động, với các bộ biến đổi phổ biến như máy điện (máy phát một chiều và xoay chiều), bộ biến đổi từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa) và bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu tiristor, biến tần tranzitor) Động cơ điện có nhiều loại, bao gồm động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ, không đồng bộ và các loại động cơ đặc biệt khác.
Phần điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ, cùng với các thiết bị điều khiển đóng cắt hỗ trợ cho người vận hành Ngoài ra, một số hệ truyền động còn tích hợp mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong dây chuyền sản xuất.
Trong thực tế sản xuất, không phải tất cả các hệ truyền động điện đều có cấu trúc hoàn chỉnh Do đó, hệ truyền động điện có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau.
- Truyền động không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
Truyền động có điều chỉnh bao gồm các loại như truyền động điều chỉnh tốc độ, momen, lực kéo và vị trí, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ Hệ truyền động này có thể sử dụng nhiều động cơ và được phân loại theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển thành hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc theo chương trình.
Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ truyền động
Trong đó: BBĐ – Bộ biến đổi. ĐC – Động cơ truyền động.
R, – Bộ điều chỉnh công nghệ.
K, – Các bộ đóng ngắt phục vụ công nghệ.
Lựa chọn hệ truyền động
Băng tải là thiết bị vận tải liên tục, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, do đó chỉ cần chú ý đến mômen khởi động và chế độ làm việc dài hạn của động cơ Động cơ truyền động thường được kết nối trực tiếp với lưới điện, hoạt động với tốc độ cố định mà không cần hệ thống truyền động điều chỉnh Hiện nay, hầu hết động cơ băng tải sử dụng động cơ điện xoay chiều, vì chúng có nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ điện một chiều, đồng thời không cần bộ biến đổi nguồn, chỉ cần điều chỉnh điện áp phù hợp với thông số kỹ thuật của động cơ.
1.2.3 Một số phương pháp truyền động trong công nghiệp
Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển cho bộ biến tần, trong đó phổ biến nhất trong ngành công nghiệp là các phương pháp điều khiển V/f, điều khiển theo hệ số trượt, điều khiển trực tiếp từ thông roto (FOC) và điều khiển mô men trực tiếp (DTC).
1.2.3.1 Phương pháp điều khiển điện áp – từ thông (V/f )
- Đơn giản, dễ thực hiện, giá thành rẻ.
- Tổn thất công suất ∆P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng lớn.
- Ổn định tốc độ khó khăn, hạn chế về khả năng ổn định tốc độ.
- Mô men đáp ứng kém.
- Không đảm bảo điều khiển được các đáp ứng về mô men và từ thông. 1.2.3.2 Phương pháp điều khiển momen trực tiếp (DTC)
- Cho phép áp đặt mô men rất nhanh.
- Có thể điều chỉnh với độ chính xác tùy ý.
- Mô hình đơn giản, không phụ thuộc nhiều tham số, không bị ảnh hưởng bới sai lệch tham số của động cơ như các phương pháp khác.
- Không phải thực hiện phép quay tọa độ, do đó thời gian tính toán nhanh.
- Đáp ứng ở tốc độ rất kém.
- Đáp ứng mô men không trơn, độ nhấp nhô mô men phụ thuộc dải trễ và khó khác phục.
1.2.3.3 Phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông roto (FOC)
- Phù hợp với vùng tốc độ cơ bản, có thể làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không.
Hệ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ tương tự như đặc tính cơ bản của động cơ một chiều với kích từ độc lập và từ thông không đổi.
- Hiện nay, công cụ điều khiển số rất mạnh nên vấn đề tính toán phức tạp không còn là vấn đề lớn.
Động cơ rất nhạy cảm với sự biến đổi của thông số, đặc biệt là điện trở roto có thể thay đổi đến 50% so với giá trị chuẩn do ảnh hưởng của nhiệt độ và hiệu ứng bề mặt.
- Phải thực hiện nhiều phép quay tọa độ nên tính toán phức tạp.
Qua việc phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp truyền động trong công nghiệp sử dụng bộ biến tần, chúng ta có thể xác định rằng phương pháp điều khiển trực tiếp từ thông roto (FOC) là lựa chọn tối ưu.
1.2.4 Đặc tính cơ của tải
Mỗi máy sản xuất đều có đặc tính cơ riêng, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và mômen, được gọi là đặc tính cơ máy Mối quan hệ này rất đa dạng nhưng có thể được biểu diễn qua một biểu thức tổng quát.
– Momen ứng với tốc độ w = 0
– Momen ứng với tốc độ định mức
– Momen ứng với tốc độ w.
Hình 1.6: Dạng đặc tính cơ của tải
Ta có các trường hợp:
- α = 0, M c = M đm = const, các cơ cấu nâng hạ, băng tải, cơ cấu ăn dao máy cắt gọt thuộc loại này (đường 1,Hình 1.6a).
Trong lĩnh vực điện tử, mômen tỷ lệ bậc nhất với tốc độ α = 1 là trường hợp hiếm gặp Một ví dụ điển hình cho loại này là máy phát một chiều hoạt động với tải thuần trở, như được minh họa trong Hình 1.6a.
- α = 2, mômen tỷ lệ bậc hai với tốc độ là đặc tính của các máy bơm, quạt gió (đường 3,Hình 1.6a).
α = -1, mômen tỷ lệ nghịch với tốc độ, áp dụng cho các cơ cấu máy ly tâm, cơ cấu dịch chuyển, máy cuộn, và các truyền động quay trục chính của máy cắt gọt kim loại (đường 4, Hình 1.6a) Dưới đây là dạng đặc tính cơ của một số máy sản xuất.
(1) α = 0 ; (2) α = 1; (3) α = 2; (4) α = -1; b) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính thế năng; c) Dạng đặc tính cơ của máy sản xuất có tính phản kháng.
- Mômen cản thế năng (như ở trong các cơ cấu nâng hạ tải trọng) có đặc tính
M c = const và không phụ thuộc vào chiều quay (Hình 1.6b).
- Mômen cản phản kháng luôn luôn chống lại chiều quay như mômen ma sát, mômen của cơ cấu ăn dao cắt gọt kim loại (Hình 1.6c).
Với băng tải vận chuyển xi măng ta có: α = 0 Do đó đặc tính cơ của băng tải có dạng:
Hệ truyền động băng tải phối liệu có tải trọng ổn định trong suốt quá trình hoạt động, cho thấy tính bền vững và hiệu quả của hệ thống này trong chế độ làm việc dài hạn.
Ta có đồ thị công suất và mômen cản tĩnh của truyền động điều chỉnh tốc độ với c
Hình 1.7: Đồ thị công suất và mômen cản tĩnh của truyền động điều chỉnh tốc độ với c
1.3.1 Một số loại động cơ thường sử dụng
Trong ngành công nghiệp, việc lựa chọn loại động cơ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Dưới đây là một số loại động cơ phổ biến thường được sử dụng.
1.3.1.1 Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều hiện nay vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải, cũng như trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục với phạm vi rộng, chẳng hạn như máy cán thép, máy công cụ lớn và đầu máy điện.
Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm vượt trội, đặc biệt là khả năng điều chỉnh và thay đổi tốc độ trong các điều kiện làm việc khác nhau Ưu điểm nổi bật nhất là khả năng làm việc hiệu quả trong tình trạng quá tải, đồng thời cho phép điều chỉnh rộng và chính xác Mạch điều khiển của động cơ này cũng đơn giản hơn, mang lại chất lượng cao hơn so với động cơ điện không đồng bộ Ngoài ra, động cơ điện một chiều còn đảm bảo khởi động êm ái, hãm và đảo chiều dễ dàng.
Hệ thống cổ góp và chổi than trong thiết bị này dẫn đến việc vận hành không đáng tin cậy và không an toàn trong các môi trường có rung chấn, đồng thời dễ gây cháy nổ Ngoài ra, giá thành cao và khó khăn trong việc tìm kiếm thiết bị, cùng với yêu cầu tăng cường vốn đầu tư để lắp đặt thiết bị chỉnh lưu, là những nhược điểm cần xem xét.
1.3.1.2 Động cơ điện xoay chiều Động cơ điện xoay chiều bao gồm 2 loại: động cơ điện xoay chiều 1 pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Động cơ điện xoay chiều 1 pha
- Ưu điểm : cấu tạo đơn giản, vận hành và bảo dưỡng dễ dàng.
- Nhược điểm : hiệu suất thấp, mômen khởi động yếu, tốn nhiều vật liệu khi chế tạo.
Động cơ điện xoay chiều 3 pha Động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm 2 loại gồm: động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ và không đồng bộ:
Động cơ điện xoay chiều 3 pha đồng bộ nổi bật với hiệu suất cao và hệ số tải lớn, nhưng cũng có nhược điểm như thiết bị phức tạp và chi phí cao do cần thiết bị phụ để khởi động Chính vì vậy, loại động cơ này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu công suất lớn hơn 100kW và khi cần đảm bảo độ ổn định của vận tốc góc.
Động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ
Động cơ ba pha không đồng bộ rôto dây cuốn cho phép điều chỉnh vận tốc trong khoảng 5%, có dòng mở máy thấp nhưng hệ số công suất (cosϕ) thấp Mặc dù giá thành cao và vận hành phức tạp, loại động cơ này chỉ được sử dụng trong một phạm vi hẹp để xác định vận tốc tối ưu cho dây chuyền công nghệ.