Thiết kế và chế tạo máy lưu hóa lốp ô tô

Supervisory Control And Data Acquisition giám sát ñiều khiển thiết bị thông qua máy vi tính, mà tại ñó ta có thể thay ñổi ñược chương trình trên máy, tăng ñược vị thế cạnh tranh cho công

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS.ĐINH MINH DIỆM

Phản biện 1: TS NGUYỄN XUÂN HÙNG

Phản biện 2: PGS.TS TĂNG HUY

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt ghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 08 năm 2011

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà

Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

(Supervisory Control And Data Acquisition) giám sát ñiều khiển thiết

bị thông qua máy vi tính, mà tại ñó ta có thể thay ñổi ñược chương trình trên máy, tăng ñược vị thế cạnh tranh cho công ty Với những

yêu cầu như vậy, tôi chọn hướng nghiên cứu của ñề tài là: “Thiết kế

và chế tạo máy lưu hoá lốp Ô tô” Nội dung ñề tài mang tính khoa

học và thực tiễn, ñáp ứng yêu cầu luận văn thạc sĩ

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Mục ñích của ñề tài góp phần thúc ñẩy việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị phục vụ cho sản xuất

- Phát triển lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng thiết bị, xây dựng hệ

thống SCADA giám sát ñiều khiển thiết bị thông qua máy vi tính vào sản xuất nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, ñể giảm thiểu những sự cố, làm ngưng trệ sản xuất

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng: Máy lưu hoá lốp Ô tô

Ph ạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu thiết bị và công nghệ qui trình sản xuất lốp Ô tô

- Chế tạo mô hình thực nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Dựa trên các thông số kỹ thuật yêu cầu của máy và công nghệ lưu hóa lốp, kết hợp với lý thuyết ñể tính toán thiết kế máy

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Thiết kế, chế tạo và lắp ñặt thiết bị phục vụ sản xuất, nghiên cứu khoa học và ñào tạo

- Phát triển lĩnh vực ứng dụng ñiều khiển tự ñộng vào thực tế sản

xuất

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục cấu trúc luận văn gồm 4 chương như sau :

Chương 1: “Tổng quan về quy trình công nghệ sản xuất lốp Ô tô” chủ yếu ñề cập ñến quy trình công nghệ sản xuất lốp Ô tô

Chương 2: “Tính toán thiết kế máy lưu hoá lốp Ô tô” bao gồm

chọn máy, tính toán thiết kế hệ thống thuỷ lực và tính toán bền khung máy, giới thiệu hệ thống van màng

Chương 3: “Thiết kế hệ thống ñiều khiển cho máy” Giới thiệu về

PLC SIEMENS họ PLC S7-300, lập trình PLC ñiều khiển thiết bị và giới thiệu phần mềm WinCC Flexible, xây dựng hệ thống SCADA giám sát ñiều khiển cho thiết bị

Chương 4: “Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm” Xây

dựng mô hình thực nghiệm bằng khí nén

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LỐP Ô TÔ VÀ QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ SẢN XUẤT LỐP Ô TÔ

1.1 TỔNG QUAN VỀ LỐP Ô TÔ

1.1.1 Lịch sử ra ñời và phát triển của lốp Ô tô

1.1.2 Kết cấu và tác dụng của các thành phần lốp Ô tô

1.2 NGUYÊN VẬT LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT LỐP

1.3 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT LỐP

1.3.1 Quy trình công nghệ sản xuất lốp Ô tô

Hình1.1: S ơ ñồ quy trình công nghệ sản xuất lốp Ô tô

2.1 CHỌN MÁY

2.1.1 Các phương án

Dựa vào hệ thống truyền ñộng và hệ thống tạo lực ñóng mở

khuôn, ta ñưa ra các phương án sau:

2.1.1.1 Máy lưu hoá ñóng mở máy bằng cơ

Sử dụng hộp giảm tốc truyền ñộng qua cặp bánh răng và truyền qua dầm liên ñộng thực hiện quá trình ñóng mở máy

Nguyên lý hoạt ñộng: Khi ñộng cơ ñiện (1) quay sẽ truyền chuyển ñộng hộp giảm tốc trục vít bánh vít (2) và làm quay bánh răng nhỏ (3) gắn trên trục vít hộp giảm tốc, tiếp tục truyền ñộng qua bánh răng lớn (4) và truyền ñộng qua dầm liên ñộng (5) ñể thực hiện

quá trình ñóng mở máy

Kiểu máy này kết cấu phức tạp, yêu cầu ñộ chính xác gia công cao, chế tạo một số chi tiết ñòi hỏi phải có thiết bị chuyên dùng ñể gia công

2.1.1.2 Máy lưu hoá ñóng mở máy bằng trục vít bánh vít

Hình 2.2: Máy l ưu hoá ñóng mở máy bằng trục vít bánh vít

Nguyên lý hoạt ñộng: ñộng cơ ñiện quay sẽ truyền chuyển ñộng qua hộp giảm tốc và truyền chuyển ñộng quay qua ñai ốc làm cho vít me sẽ tịnh tiến lên xuống, thực hiện quá trình ñóng mở máy

Kiểu máy này thiết kế ñóng mở máy bằng vít me ñai ốc, kết cấu kiểu này rất dễ chế tạo, nhưng khi ñóng máy dễ gây ra hiện tượng quá tải cho ñộng cơ (vì mômen mở máy rất lớn)

2.1.1.3 Máy lưu hoá ñóng mở bằng Xilanh pittiông dầu thuỷ lực

Hình 2.3: Hình và sơ ñồ Máy lưu hoá ñóng mở bằng thuỷ lực dầu 1: Xilanh pitông thủy lực 4: Bao hơi dưới

2: Khung máy 5: Cơ cấu trung tâm

3: Bao hơi trên

Nguyên lý hoạt ñộng: Dầu ñược cấp vào xilanh pitông (1) áp lực dầu sẽ ñẩy pitông chạy lên chạy xuống, thực hiện quá trình ñóng mở máy Do ñóng mở máy bằng XiLanh pittông thuỷ lực nên kiểu máy loại này kết cấu máy ñơn giản, dễ gia công chế tạo, nên giá thành thấp Phù hợp với ñiều kiện của Việt Nam

Qua phân tích ba phương án ta chọn phương án “Máy lưu hoá ñóng mở bằng Xilanh pittiông dầu thuỷ lực”

2.1.2 Thông số kỹ thuật của máy Lưu Hóa Lốp Ô tô

- Quy cách lốp lưu hoá: 12”→16”, tương ñương với ñường kính ngoài của lốp là Φ580→Φ740 mm

- Lực ñóng khuôn lớn nhất 210.000 Kg

1

3 2

4

5

- Đường kính bao hơi 1100 mm

- Chiều cao khuôn lưu hoá 180→300 mm

- Áp suất hơi tối ña trong màng 28 Kg/cm2

- Áp suất tối ña trong bao hơi 10 Kg/cm2

2.2 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THUỶ LỰC

2.2.1 Sơ ñồ hệ thống thủy lực của máy lưu hóa

Hinh 2.4: Sơ ñồ hệ thống thủy lực

Các phần tử trong sơ ñồ thủy lực:

1-Bộ lọc 7-Van chặn lưu lượng 15-Van một chiều kích mở 2-Động cơ ñiện 8,9- Đồng hồ áp lực 16-Cụm Pittông, xilanh ép 3-Bơm lưu lượng 10-Van một chiều 19-Van tiết lưu

4-Bơm cao áp 11-Van tiết lưu 20-Cụm Pittông kẹp dưới 5-Bộ làm mát dầu 12,13,18-Van ñiện từ

6-Van ch ặn cao áp 14,17-Van tràn

2.2.3 Thiết kế các phần tử thủy lực của máy

2.2.3.1 Xi lanh thủy lực

a Tính ch ọn ñường kính Xilanh và áp suất làm việc:

Từ sơ ñồ tính toán ta viết phương trình cân bằng lực của cụm

19 15

5

11 10

C D B

A

E F

P1.A1-P2.A2-Fmsc-Fmsp-Ft=0 (2.1)

Trong sơ ñồ trên gồm có các thành phần:

P1: Áp suất dầu ở buồng ñóng máy

P2: Áp suất dầu ở buồng mở máy

A1: Diện tích Piston ở buồng ñóng máy; A1=π.D2/4

A2: Diện tích Piston ở buồng mở máy; A2=π.(D2-d2)/4

m: Khối lượng của khuôn và Piston, m = 400+520 = 920 Kg

Fmsp: Lực ma sát của Phớt làm kín và xilanh

Fmsc: Lực ma sát giữa Piston và vòng phớt làm kín

Trong bài toán này vì tiết diện tiếp xúc của phớt làm kín với

xilanh và piston nhỏ nên ta bỏ qua 2 lực ma sát này

Sơ ñồ tính toán Xilanh:

Hình 2.5: Sơ ñồ phân tích lực của máy

Ft: Lực do áp suất nước quá nhiệt sinh ra trong quá trình lưu hóa Trong sơ ñồ, như hình 2.6

Pnqn: Áp suất nước quá nhiệt, Pnqn=25 Kg/cm2

Dk: Đường kính bên trong của lốp

Do ta thiết kế máy lưu hóa này ñể lưu hóa quy cách lốp nhất là 7.50-16 nên ta có kích thước này là Dk=740 mm=74 cm

Như vậy ta có lực Ft sẽ ñược tính như sau:

Ft= 2.π.Rk

2

Pnqn= 2.π.(Dk/2)2.Pnqn=2.3,1416.(74/2)2.25=215042 Kg

Sơ ñồ tính lực Ft như sau:

Hình 2.6: Sơ ñồ phân tích lực lúc lưu hóa

Ở hành trình ñóng máy, buồng mang cần Piston thông với bể dầu nên P2 xem như ≈ 0

Thay vào phương trình (2.1) ta có:

b.Tính l ưu lượng cần thiết cung cấp cho xilanh:

Phương trình lưu lượng:

Q1 = vct.A1 + λ.P1 + (V/2B).(dP1/dt)

Dk

B: Môñun ñàn hồi của dầu

Với vận tốc lớn nhất vmax=5 mm/s, thì lưu lượng lớn nhất cung cấp cho xilanh là:

Qmax = vmax.A1= 5 125663,7 = 628318,5 mm3/s = 37,7 lít/phút

c Tính toán kiểm tra sức bền và ổn ñịnh của xilanh:

Trong quá trình làm việc, các xilanh thủy lực truyền lực, chịu tác dụng của áp lực làm việc bên trong của dầu và tải trọng nên ngoài

Bề dày của thành xilanh t ñược tính theo công thức:

P CF

.100

σσ

Trong ñó:

P: áp suất chất lỏng làm việc Kg/cm2

D: Đường kính trong của xilanh mm

c : Đại lượng bổ sung cho chiều dày tối thiểu của thành xilanh, chọn c=2mm

σCF : Ứng suất cho phép trên thành xy lanh, Kg/mm2

2 2

2 2

D D

D D

D

D D E

PD

n n

240.29,0240260

240260.610.1

,

2

40.200

0,009021 cm Biến dạng hướng kính của mặt ngoài Xilanh ∆Dn

2 2

2

µ

D D

D E

D

P

n n

2 2 2

Lực tới hạn, ñược tính theo : Fth=ξ.Fa

Với: ξ : Hệ số tính ñến sự thay ñổi của tiết diện xilanh, ta chọn ξ=0,4

Fa : Lực tới hạn ñối với xilanh quy ước có tiết diện không thay ñổi

Fa = c

l

J E.

64

4 4 4

D n

π

cm4

l : Chiều dài toàn bộ xilanh cùng với cần piston; l=2300 mm

c : Hệ số tính ñến sự ghép nối của xilanh cùng với cần Piston và ñầu cần Piston, chọn c=0,5

Ta có: Fa=c

l

J E.

.2

2

6 2

230

8,510508.10.1,2.1416.3.5,

Fth=ξ.Fa=0,4.100008429 = 40003371,6 Kg

Ta thấy rằng lực ép tối ña Ft= 215042 Kg < 40003371,6 Kg

Nên xilanh lực làm việc hoàn toàn ổn ñịnh

Các thông số của xilanh ép:

Đường kính trong của xilanh: D=400 mm

Đường kính ngoài của xilanh là : Dn=600 mm

Đường kính cần Piston là: d=250 mm

Hành trình ép là: L=1100 mm

Diện tích bề mặt ở buồng công tác là: A1=125663,7 mm2

Thể tích lớn nhất khi làm việc : Vmax = 138230,077 cm3

2.2.3.2.Tính chọn bơm thủy lực và công suất ñộng cơ:

a Chọn bơm và tính lưu lượng và áp suất của bơm:

Lưu lượng lý thuyết lớn nhất mà bơm có thể cung cấp cho xilanh ép: Qmax = vmax.A1= 5 125663,7 = 628318,5 mm3/s =37,7 lít/phút Trong thực tế, do sự rò rỉ qua khe hở giữa các khoang, nên lưu lượng thực tế của bơm nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết, ta chọn bơm

bánh răng, nên hiệu suất ñạt khoảng η=70% do ñó lưu lượng thực tế

7,0

7,37

η

Q

lít/phút

Do thiết kế trạm thủy lực này, ñể cấp cho 2 xilanh piston, nên

chọn lưu lượng bơm là 150 lít/phút

Tính áp suất làm việc: theo trên ta chọn áp suất làm việc của bơm là

200 Kg/cm2

Như vậy ta chọn bơm theo các số liệu ñã tính toán:

Chọn bơm lưu lượng với thông số:

Lưu lượng QLL =150 lít/phút và áp suất PLL= 20 Kg/cm2

Chọn bơm cao áp với thông số:

Lưu lượng QCA =20 lít/phút và áp suất PCA= 250 Kg/cm2

b Tính công suất ñộng cơ truyền ñộng cho bơm:

Tính công suất cho bơm cao áp:

NCA= 8,17

612

20.250

ηη

Trong ñó : ηb: Hiệu suất của bơm, ηb=(0,6~0,9), chọn ηb=0,85

ηñc: Hiệu suất truyền ñộng từ ñộng cơ qua bơm, chọn

ηñc=0,985

NñcCA= 9,7582

985,0.85,

0

17,

Tính công suất cho bơm lưu lượng:

Trong ñó : ηb: Hiệu suất của bơm, ηb=(0,6~0,9), chọn ηb=0,85

ηñc: Hiệu suất truyền ñộng từ ñộng cơ qua bơm, chọn

ηñc=0,985

NñcLL= 5,852

985,0.85,0

9,

Việc dẫn ñộng hai bơm bằng một ñộng cơ ñiện nhưng khi bơm này làm việc thì bơm kia chạy không, nên chọn ñộng cơ ñiện có công suất lớn: Nñc=10 KW

2.2.3.3 Một số van sử dụng cho hệ thống:

- Van tràn

- Van ñảo chiều

- Van tiết lưu

- Van một chiều kích

2.3.TÍNH TOÁN BỀN THÂN MÁY:

Dựa vào kết cấu của máy và lực tác dụng lên khung máy, ñể ñơn gian cho việc tính toán ta chọn một bên ñể tính (vì hai bên giống

nhau) ta có mô hình tính bền của máy như hình 2.7

Từ sơ ñồ tính bền, ñể việc tính toán ñơn giản, ta phân tích thành 2

sơ ñồ ñơn giản ñể tính như hình 2.8 và hình 2.9

Hình 2.7: Khung máy lưu hóa Hình 2.8: Sơ ñồ phân tích lực

2.3.1.Kéo ñúng tâm:

Ta có sơ ñồ tính như hình 2.9, Với: Ft= 215042 Kg , h=2000 mm

Ta chọn vật liệu thép là CT31 với các thông số của vật liệu là:

Ứng suất cho phép của thép: [σ]th =310 Mpa = 31 kN/cm2

Môñun ñàn hồi: E=2.104 kN/cm2,

Trọng lượng riêng của thép: γ = 7800 Kg/m3 = 0,0078 Kg/cm3

Hệ số dãn nở thép: αth =12,5.10-6, Vì khi làm việc trong môi

trường nóng, kiểm tra thực tế nhiệt ñộ trên khung máy là 500C, như vậy so với nhiệt ñộ tính ở 300

C, thì nhiệt ñộ tăng lên : ∆T=200C Đầu tiên ta ñi tính chọn mặt cắt của khung thẳng ñứng:

Gọi F là tiết diện của mặt cắt ta có:

Lực dọc trục: Nmax = Ft/2 + γ.h.F = 215042/2 + 0,0078.200.F

Với: σmax= [ ]th

t h F

F F

N = +γ ≤ σ

.2max

F F

N = t +γ ≤ σ th

2max

Rút F ra ta có:

)3.200.0078,03100.(

2

215042.3)

(

F n F

F=45 x 5 =225 cm2

Tính chuyển vị:

225.10.200.2

200.215042

.2

4

F E

h

F t

0,04778 cm =0,4778 mm Tính ñến chuyển vị do gia tăng nhiệt lên 200C ta có:

Kết quả tính chuyển vị bằng RDM lớn nhất là: 0,4779 mm

2.3.2.Dầm chịu uốn:

Dùng phần mềm RDM tính

Hình 2.10: Sơ ñồ tính bền dầm chịu uốn

2.4 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG VAN MÀNG

2.4.1 Một số van màng

- Van màng hai ngã: là loại van có một ngã vào và một ngã ra

- Van màng ba ngã: là loại van có 2 ngã vào và một ngã ra

- Van màng chỉnh áp: là loại van ñiều chỉnh ñược áp lực ngã ra

2.4.2 Quy trình hoạt ñộng của hệ thống van màng khi lưu hóa

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY

Chương này giới thiệu về PLC SIEMENS họ S7-300 và lập trình ñiều khiển PLC trên CPU314 FM, giới thiệu phần mềm WinCC

Flexible, xây dựng dự án (Scada) ñiều khiển máy

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PLC SIEMENS HỌ S7-300

3.1.1 Giới thiệu chung về PLC S7_300

3.1.1.1 Cấu trúc chung của một PLC

Khối ñiều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ

thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Ft

3.2.1 Yêu cầu công nghệ

Cài ñặt các thông số theo yêu cầu, cấp bán thành phẩm (BTP) vào máy, sau ñó ấn ñịnh hình và ấn nút ñóng máy tự ñộng máy sẽ ñóng máy tự ñộng và ñạt áp lực dầu theo thông số cài ñặt, quá trình lưu hóa ñầu thực hiện theo chế ñộ thời gian cài ñặt trong chương trình như: hơi vào bao hơi, hơi vào màng, nước quá nhiệt vào màng, nước lạnh vào màng làm mát, hút chân không, sau khi hết chế ñộ thời gian lưu hóa cài ñặt, máy sẽ tự ñộng mở máy, mở ñến công tắc hành trình mở máy, kẹp màng sẽ nâng lốp lên, lấy lốp ñã lưu hóa ra

và thực hiện chu trình tiếp theo

3.2.2 Các c ụm ñiều khiển của máy

Các cụm ñiều khiển của máy lưu hóa lốp Ô tô bằng thủy lực,

ñược xây dựng như sơ ñồ, như hình 3.2

Hình 3.2: Các cụm ñiều khiển của máy

3.2.3 Các biến ñịa chỉ ngõ vào ra

3.2.4 Các bước lập trình trên S7-300

3.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM WINCC FLEXIBLE

WinCC Flexible viết tắt của Windows Control Center, là phần mền của hãng Siemens dùng ñể quan sát, ñiều khiển và thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất

3.3.1 Chức năng của WinCC Flexible

- Chức năng giám sát

- Chức năng ñiều khiển

- Chức năng trao ñổi dữ liệu

3.3.2 Một số phần trong WinCC Flexible

3.3.2.1 Thiết lập giao thức kết nối

3.3.2.2 Tags và Tags group

3.3.2.3 Thiết kế giao diện (Screen)

3.3.2.4 Tạo mã (Script)

3.3.2.5 Một số hàm hay sử dụng trong chương trình

3.4 XÂY D ỰNG DỰ ÁN (SCADA) ĐIỀU KHIỂN MÁY

3.4.1 Khởi ñộng WinCC Flexible

3.4.2 Tạo một Project

3.4.3 Trình tự thiết kế giao diện, thiết lập ñiều khiển cho project

3.4.3.1 Thiết lập kết nối

3.4.3.2 Tạo các biến (Tag)

3.4.2.3 Thiết kế giao diện và thiết lập ñiều khiển

Giao diện ñiều khiển chính (hình 3.3): thực hiện thao tác cho

máy và hiện thị trạng thái của các ñầu vào ra

Hình 3.3: Giao diện khởi ñộng

Giao diện hệ thống van màng (hình 3.4)

Hình 3.4: Giao diện hệ thống van màng

lưu hóa cấp nhiệt vào màng

Ở giao diện này ta có thể ñiều khiển ñược các thao tác của máy trực tiếp trên máy tính gòm các công tắc chế ñộ tay tự ñộng, ñóng mở máy, ñịnh hình, kẹp màng lên xuống và thể hiện các trạng thái làm việc của máy

Ở giao diện này khi máy ñang

ở chế ñộ lưu hóa (hấp lốp) nó

sẽ biểu hiện trạng thái ON (có nén cấp lên van) hoặc OFF (cắt nén cấp lên van) cho các van màng theo thời gian nhập vào, tại các vị trí van màng ở trạng thái ON nó còn thể hiện thời gian làm việc