Ở bài viết trước, chúng ta đã xem xét bài toán “tư thế vận chuyển có sự thay đổi” với thiết bị vận chuyển sử dụng vít me. Trong bài viết hôm nay, chúng tôi sẽ cùng các bạn tìm hiểu các điều cần lưu ý trong tình huống “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức” với thiết bị vận chuyển sử dụng vít me. Đặc biệt, chúng tôi sẽ tập trung trình bày nội dung liên quan đến tốc độ tới hạn, tốc độ được coi là nguy hiểm đối với trục vít me.

Trong bài viết Làm Thế Nào Để Tăng Tốc Độ Chuyển Động Lên 2 Lần Trong Thiết Bị Vận Chuyển Sử Dụng Vít Me?(https://xtmechanicalblog.com/post/40/lam-the-nao-de-tang-toc-do-chuyen-dong-len-2-lan-trong-thiet-bi-van-chuyen-su-dung-vit-me.html), chúng tôi đã có đề cập đến phương pháp “tăng bước ren của vít me”. Và trong bài viết lần này, chúng tôi sẽ giới thiệu tới các bạn cách trả lời khi gặp phải tình huống mà khách hàng yêu cầu “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức để đáp yêu cầu tăng sản lượng sản xuất”. Hãy cùng nhìn lại hình 1 dưới đây mô tả thiết bị vận chuyển mà chúng ta đã thiết kế từ trước đến nay.

Hình 1. Cơ cấu gắp thả vật truyền động bằng vít me

Giống với bài viết mà chúng tôi đã nói ở trên, chúng tôi sẽ sử dụng tình huống cụ thể là “tăng tốc độ chuyển động của trục X lên 2 lần”. Tiếp theo đây, chúng ta cùng nhìn lại các thông số kĩ thuật thiết bị được yêu cầu.

 Bảng 1. Thông số cơ bản của thiết bị

Tên gọi thiết bị	Cơ cấu gắp và thả vật P&P
Đối tượng vận chuyển	Vật	Kích thước Φ63.5×Φ19.05×t1.0 Khối lượng W=0.008kg
Tốc độ vận chuyển	Cả 2 trục X,Y	250mm/s
Quãng đường chuyển động	Trục X	680mm
	Trục Y	210mm
	Trục Z	20mm
Độ chính xác vị trí	Cả 2 trục X,Y	±0.05mm/500mm

 

① Khối lượng phụ tải (Khối lượng vận chuyển): 11.1kg

② Vít me (Mã sản phẩm BSS1505-900, nhà sản xuất Misumi):

     Đường kính 15mm, Chiều dài 900mm, Bước ren 5mm

③ Khớp nối trục (Mã sản phẩm CPDW32-10-11, nhà sản xuất Misumi):

      Mô men xoắn cho phép = 2.5 N.m

      Tốc độ quay tối đa = 19000 rpm

      Mô men quán tính = 0.096×10^-4 kg.m²

④ Động cơ servo AC (200W, Tốc độ quay định mức 3000 min^-1):

      Mô men xoắn định mức = 0.637 N.m

      Mô men xoắn cực đại = 2.23 N.m

      Mô men quán tính động cơ = 0.259×10^-4 kg.m²

      Tỉ số mô men quán tính cho phép ≤ 15 lần giá trị trên.

Mục lục

1．Lý do cần phải tính toán tốc độ tới hạn 2．Kiểm tra cách thức đỡ trục của vít me trước khi tính toán tốc độ tới hạn 3．Tính toán tốc độ nguy hiểm của vít me 4．Tổng kết

1. Lý do cần phải tính toán tốc độ tới hạn

Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn quay một trục dài?

Có thể bạn sẽ nghĩ, "Đó là một trục thẳng, vì vậy nó sẽ quay êm bình thường thôi!". Tuy nhiên, ngay từ đầu đã không có cái trục nào là thẳng tuyệt đối cả.

Khi quay ở tốc độ thấp, trục sẽ quay êm bình thường, nhưng khi tăng dần tốc độ lên thì sẽ phát sinh ra tiếng ồn lúc trục quay, và cho đến một tốc độ nào đó, nếu cứ giữ nguyên tiếp tục chuyển động như vậy thì không những trục sẽ bị hỏng mà còn gây nguy hại đến các thiết bị và chi tiết khác.

Tốc độ quay này được gọi là tần số “dao động” riêng (tần số cộng hưởng, điểm cộng hưởng) hoặc còn được gọi là tốc độ tới hạn (tốc độ quay cộng hưởng).

Một ví dụ về trường hợp này là hình ảnh về chiếc xích đu. Hẳn nhiều người đều đã từng chơi xích đu hồi còn nhỏ. Hãy thử nhớ lại cách các bạn đã làm để làm cho xích đu đung đưa được mạnh hơn.

Để làm cho xích đu đung đưa mạnh hơn, biên độ đung đưa lớn hơn, thì cần phải đẩy phối hợp theo nhịp chuyển động đung đưa của xích đu (cộng hưởng). Nếu không phối hợp theo đúng nhịp đung đưa của xích đu, có đẩy mạnh mấy cũng không có tác dụng.

Ngoài ra, chu kỳ đung đưa trong trường hợp này sẽ không thay đổi nhiều dù cho biên độ đung đưa lớn hay là nhỏ. Đây là những đặc điểm của tần số dao động riêng.

Hình 2. Sự rung của trục (tốc độ nguy hiểm)

Tốc độ quay tới hạn này (tần số dao động riêng) tồn tại ở mọi vật thể quay và vật thể dao động (lò xo, con lắc, sóng).

Đối với các thiết bị phức tạp thì chúng ta không thể tính toán đơn thuần bằng tay được, tuy nhiên với trục quay ta có thể tính toán bằng tay, vì vậy hãy nhớ tính toán kiểm tra trong khi thiết kế.

2. Kiểm tra cách thức đỡ trục của trục vít me trước khi tính toán tốc độ tới hạn.

Ngay cả khi chiều dài của trục là như nhau, giá trị của tốc độ tới hạn và độ cứng uốn của trục khi quay sẽ thay đổi tùy thuộc vào cách thức đỡ trục. Chúng tôi sẽ liệt kê 3 cách thức đỡ trục hay được sử dụng trong bảng 2 dưới đây. Trong số đó, phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất là cách thức “cố định – đỡ trục”. Cố định một đầu bên phía động cơ và đỡ đầu bên kia trục (ví dụ đỡ bằng ổ đỡ trục). Nhờ đó, ngay cả khi trục vít me giãn nở do nhiệt ma sát chuyển động, độ giãn của trục vít me có thể được hấp thụ nhờ sự dịch chuyển của ổ đỡ trục phía đỡ.

Bảng 2. Các cách thức đỡ trục của  vít me.

Cách thức đỡ trục	Cách lắp đặt	Trường hợp áp dụng
Đầu cố định – Gối đỡ		Cách lắp đặt phổ thông. Quay tốc độ trung bình～cao Độ chính xác trung bình～cao
Đầu cố định – Cố định		Quay tốc độ trung bình Độ chính xác yêu cầu cao
Đầu cố định – Tự do		Quay tốc độ thấp Chiều dài trục là ngắn Độ chính xác yêu cầu trung bình

※Tham khảo từ tài liệu kĩ thuật cách lắp đặt trục vít me của Misumi VONA.

Với cách thức đỡ trục “cố định – cố định”, là cách thức cố định hai đầu của trục vít me bằng bộ đỡ hỗ trợ cố định, phương pháp này giúp dễ cho ra được độ chính xác vị trí cao. Khi sử dụng cách thức này, ta chú trọng đến độ chính xác vị trí, do đó khi đặt hàng vít me chúng ta cũng nên đưa thêm những yêu cầu về độ chính xác vị trí trong đơn hàng. Còn cách thức đỡ trục “cố định – tự do”, một đầu trục thì cố định còn một đầu để tự do, cách thức này có thể dùng cho các trường hợp như "chiều dài trục ngắn", "tốc độ quay chậm", hay "trục được bố trí theo phương thẳng đứng". Tuy nhiên, phương pháp này cũng không hay được sử dụng. Ngoài ba cách thức đỡ trục ở trên, còn có một phương pháp khác là “đỡ trục – đỡ trục” (ví dụ cả 2 đầu trục được đỡ bằng ổ đỡ trục). Cách thức này tuy rằng cũng ít được sử dụng, nhưng có thể áp dụng cho môi trường có sự thay đổi nhiệt độ lớn.

3. Tính toán tốc độ tới hạn của vít me

Tùy thuộc vào nhà sản xuất, công thức tính tốc độ tới hạn có thể khác nhau về mặt hình thức, nhưng nội dung thì giống nhau:

Trong đó:

Ngoài ra, g và λ là các hệ số được xác định tùy vào cách thức đỡ trục của vít me, được cho bởi bảng dưới:

Cách thức đỡ trục	g	λ
Gối đỡ - gối đỡ	9.7	π
Đầu cố định – Gối đỡ	15.1	3.927
Đầu cố định – Cố định	21.9	4.73
Đầu cố định – Tự do	3.4	1.875

Tốc độ tới hạn lí thuyết bằng giá trị tính toán lí thuyết nhân với hệ số an toàn (xét thêm hệ số an toàn để phòng khi có lỗi lắp ráp). Và lúc vận hành chúng ta phải tránh vượt quá tốc độ tới hạn được tính ở đây. Trong tính toán thực tế, để đơn giản ta có thể sử dụng công thức phía bên phải vì chỉ cần phải tra hệ số g.

Quay trở lại với bài toán ban đầu, Vít me được sử dụng là kiểu đầu cố định – gối đỡ. Trong bảng 2, khoảng cách đỡ l là khoảng cách từ đai ốc (khi dịch chuyển) đến bộ phận gối đỡ, nhưng khoảng cách này là một kích thước không thể xác định trừ khi lúc thiết kế đã xem xét và tiến triển đáng kể.

Nếu khoảng cách đỡ không thể được xác định chính xác ở giai đoạn đầu lúc xem xét thiết kế, chúng ta có thể sử dụng khoảng cách giữa đầu cố định – gối đỡ vào tính toán ở hình 3. Lưu ý rằng ở công thức tính, khoảng cách đỡ càng lớn thì tốc độ tới hạn càng nhỏ nên khi ta lấy khoảng cách đầu cố định – gối đỡ (khoảng cách đỡ lớn nhất có thể) tính toán thì không sợ gặp vấn đề gì cả.

Hình 3. Cách xác định sơ bộ khoảng cách đỡ l

Từ dữ kiện bài toán, quãng đường chuyển động của Vít me trục X là 680mm, đối chiếu với các kích thước của phía gối đỡ (hình 4) ta tính được khoảng cách đỡ là 744mm.

Hình 4. Kích thước Vít me BSS1505-900

Như vậy tốc độ tới hạn sẽ được tính:

Do đó không thể tăng gấp đôi tốc độ trong điều kiện hoạt động hiện tại.

Vì hiệu suất của động cơ servo đang được cải thiện từng ngày, có thể được sử dụng trong thời gian ngắn ngay cả khi chạy quá tốc độ quay định mức. Tuy nhiên với vít me, nếu không được thay đổi vật liệu thì không thể dễ dàng thay đổi điều kiện sử dụng tốc độ tới hạn được.

Khi lập kế hoạch cho một thiết bị sử dụng vít me, việc cân nhắc xem có thay đổi thông số kỹ thuật (thay đổi tốc độ) trong tương lai gần hay không sẽ giúp bạn linh hoạt trước những thay đổi trong kế hoạch sản xuất. Chi phí lắp đặt thiết bị ban đầu có thể tăng lên một chút, nhưng sẽ ít tốn kém hơn so với việc tu sửa lớn sau này.

4. Tổng kết

Thông qua bài viết, khi tăng tốc độ vận chuyển bằng thiết bị truyền động vít me hoặc thiết kế thiết bị truyền động vít me cần phải lưu ý những điểm sau:

• • Khi quay một trục dài như vít me, hãy kiểm tra tốc độ tới hạn.
  • Ở giai đoạn chưa hoàn thành thiết kế chi tiết, tốc độ tới hạn có thể được tính toán bằng cách sử dụng khoảng cách giữa đầu cố định – gối đỡ

Ngay cả khi chiều dài của trục là như nhau, giá trị của tốc độ tới hạn có thể thay đổi tùy thuộc vào cách thức đỡ trục vít me. Trong thiết kế cơ khí, vấn đề rung động (cộng hưởng, tốc độ quay tới hạn) là một vấn đề khó trong đó các yếu tố khác nhau đan xen. Tuy nhiên, tốc độ tới hạn và tần số riêng (lò xo, con lắc…) có thể được tính toán. Tuy làm như vậy có thể tốn thêm một chút thời gian lúc ban đầu, nhưng nếu tính toán cẩn thận nó, bạn có thể tiến hành thiết kế một cách tự tin và tránh được những tình huống gây nguy hiểm cho hệ thống máy.

Lần tới, chúng ta sẽ xem xét các đặc tính của động cơ servo (tốc độ quay định mức, tốc độ quay lớn nhất, mô-men xoắn). Các bạn hãy cùng chờ đón nhé.

Hẹn gặp lại.

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://jp.meviy.misumi-ec.com/info/ja/archives/25557/