Tài liệu Thiết kế và chế tạo xe hốt rác

1 1. Đặt vấn đề Xã hội ngày càng phát triển chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao. Việc sử dụng máy móc phục vụ trong quá trình sản xuất đòi hỏi người lao động phải tập trung hơn vào những công việc cần độ chính xác và chất lượng cao, trong khi đó máy tự động có thể thay thế con người trong những công việc nguy hiểm, nặng nhọc, lặp đi lặp lại, giám bớt và ngăn ngừa tai nạn lao động, độc hại do phải làm việc với môi trường không thuận lợi. Như chúng ta đã biết, để khuôn viên những nơi công cộng, đường phố sạch đẹp thì phải cần một số lượng lớn lao công trực tiếp làm việc. Những năm gần đây nền khoa học công nghệ chế tạo phát triền mạnh đã cho ra đời những giải pháp thu gom rác tự động thay thế con người, những giải pháp này có thể đạt hiệu suất cao hơn gấp nhiều lần so với sức lao động của con người, tuy nhiên với những xe hốt rác hiện tại vẫn còn một số nhược điểm như: không thề hốt được những vị trí sát con lươn, vỉa hè. Xuất phát từ nhu cầu thực tế và sự đam mê nghiên cứu, muốn tìm tòi học hỏi thêm những kiến thức về chuyên nghành chế tạo máy để phục vụ cho công việc sau này nên nhóm chúng tôi đã chọn và tiến hành nghiên cứu đề “thiết kế và chế tạo xe hốt rác” với mong muốn khi hoàn thành giải đề tài sẽ khắc phục những khuyết điểm của các loại xe hốt rác hiện tại và có khả năng ứng dụng thực tế. 2. Lịch sử nghiên cứu của đề tài - Trên thế giới đã có rất nhiều đề nghiên cứu chế tạo các loại xe hốt rác với mục đích thay thế công việc của con người và bảo vệ môi trường nhưng hầu hết những giải pháp đó chưa đi sâu vào chế tạo xe hốt rác tự động hoạt động hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí, không sử dụng bất kỳ loại năng lượng hay nhiên liệu như những chiếc Sh125cc là xe dùng để hốt rác ở Anh có lắp thêm hệ thống máy hút bụi đễ thu gom rác trên đường. - Ở trong nước cũng đã có những giải pháp về chế tạo xe hốt rác tự động nhưng cũng chưa giải pháp nào chế tạo thành công loại xe hốt rác thân thiện với môi trường vì hầu 2 hết những giải pháp này đều sử dụng năng lượng như xe quét rác và hút bụi đường của Công ty cổ phần đô thị Bình Dương, là những chiếc xe tải sử dụng động cơ diesel và hệ thống khí nén để hút rác và bụi bẩn trên đường. - Tại Đồng Nai chưa có tập thể hay cá nhân nào thực hiện đề tài này, do vậy đây là lần đầu tiên đề tài “thiết kế và chế tạo xe hốt rác” không sử dụng năng lượng được thực hiện trong tỉnh. 3. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế, chế tạo xe hốt rác, hoạt động ổn định, có thể quét được các loại rác: - Lá cây, giấy, cành cây kích thước nhỏ… - Quét được các loại cát, sỏi, đá mi, đá 1 * 2, đá 4 *6 rơi vãi trên đường. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Chế tạo xe hốt rác hoạt động hoàn toàn bằng các cơ cấu cơ khí, sử dụng hộp tốc độ để truyền chuyển động đến các cơ cấu quét, hốt rác tự động có những ưu điểm so với các loại xe hốt rác tự động đã có trên thị trường. Ngoài ra đề tài còn nghiên cứu các loại rác mà xe có thể quét được nhằm đưa ra phương án hợp lý nhất khi thiết kế chế tạo. Thời gian nghiên cứu từ tháng 08 đến tháng 12 năm 2011 Địa điểm nghiên cứu tại trường Đại học Lạc Hồng, xe hốt rác được thiết kế để quét và thu gom rác trong sân trường, trên đường phố và khuôn viên công cộng. 5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đoạn, sau đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất. Khảo sát thực tế, tìm hiểu các loại xe rác đã và đang được đưa vào sử dụng, kế thừa những ưu điểm, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để áp dụng vào thiết kế đề tài. 3 Sau khi tìm hiểu thực tế sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế hình dáng xe trên lý thuyết, thiết kế các cơ cấu truyền động, cơ cấu hốt rác tự động. Giai đoạn tiếp theo là tiến hành chế tạo. Giai đoạn cuối là kiểm nghiệm xe, tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó sửa chữa và thay đổi phương án thiết kế kịp thời. 6. Kết cấu của đề tài Trong đề tài này gồm những nội dung sau: ™ Cơ sở lý thuyết của đề tài. - Những vấn đề về rác thải và môi trường. - Tìm hiểu các loại xe hốt rác đã và đang được ứng dụng trong thực tế. ™ Thiết kế và chế tạo xe hốt rác - Cơ sở thiết kế xe quét và hốt rác tự động - Các phương án tiết kế cơ khí, tổng quan về xe hốt rác. ™ Kết luận và kiến nghị 4 Chương 1: Giới thiệu 1.1 Những vấn đề về rác thải và môi trường Rác thải gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm không khí và gây mất vẻ mỹ quan nơi công cộng..việc thu gom, xử lý rác thải là vấn đề quan trọng. “Hãy giữ gìn thành phố sạch đẹp”, “Hãy chung tay bảo vệ trái đất” đó là những khẩu hiệu rất quen thuộc đối với mỗi người Việt Nam chúng ta cũng như tất cả người dân trên toàn thế giới. Trên thực tế vấn đề rác thải còn là vấn đề cần được giải quyết ở nhiều quốc gia. Lượng rác thải ra từ sinh hoạt của con người tăng cao gấp nhiều lần so với sự gia tăng dân số. Hình 1: Rác thải trên đường phố Xã hội ngày càng phát triển chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao. Việc sử dụng máy móc phục vụ trong quá trình sản xuất đòi hỏi người lao động phải tập trung hơn vào những công việc cần độ chính xác và chất lượng cao, trong khi đó máy 5 tự động có thể thay thế con người trong những công việc nguy hiểm, nặng nhọc, lặp đi lặp lại, giảm bớt và ngăn ngừa tai nạn lao động, độc hại do phải làm việc với môi trường không thuận lợi. Máy móc sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triền những nghành công nghiệp mới, nâng cao năng xuất lao động, giảm bớt sức lực của con người từ đó nâng cao chất lượng cuộc sống xã hội và góp phần bảo tồn các nguồn tài nguyên, năng lượng cho quốc gia. Việc nghiên học và cứu trong nhà trường là rất quan trọng, công việc nghiên cứu sẽ giúp sinh viên tiếp cân được với thực tế, củng cố được kiến thức về chuyên ngành của mình, thiết kế và chế tạo xe hốt rác tự động hoàn toàn bằng cơ khí là một đề tài yêu cầu phải có độ chính xác rất cao về cơ khí chế tạo. 1.2 Kết luận Với những kiến thức đã được học trong nhà trường, những môn học như nguyên lý chi tiết máy, tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí, thực tập máy công cụ..cùng với việc tìm hiểu thực tế về môi trường, công việc thu gom rác và thực trạng các loại xe hốt rác trên thị trường hiện nay sẽ giúp cho việc thực hiện thiết kế và chế tạo xe hốt rác của nhóm đạt hiệu quả tối ưu nhất. 6 Chương 2: Thực trạng công việc thu gom rác trong và ngoài nước 2.1 Thực trạng công việc thu gom rác ở ngoài nước Ở một số nước phát triển như Anh, Mỹ, Nhật Bản… họ sử dụng nhiều loại xe quét hốt rác tự động thay thế cho con người. Như những chiếc xe Sh125cc Ở vương quốc Anh được cải tiến thành những chiếc xe thu gom rác hiệu quả, người ta đã gắn thêm cho những chiếc Sh này một hệ thống máy hút bụi, ưu điểm của những chiếc xe này là thu gom rác đạt hiệu quả cao và khá linh động, nhược điểm là tốn nhiều nhiên liệu hơn những chiếc xe Sh thông thường. Hình 2: Xe Sh125cc được chế thành xe hút rác trên đường phố ở Anh [8] Ở Nhật Bản có nhiều loại đã được chế tạo nhằm mục đích quét và thu gom rác tự động đạt hiệu quả rất cao, có thể thay thế được con người. Hình 3: Một số loại xe quét rác hiện đại trên thế giới Tuy nhiên giá thành của các loại máy này rất cao, từ mấy chục đến mấy trăm triệu VNĐ( Nguồn từ www.vatgia.com). 7 2.2. Trong nước Ở nước ta công việc quét và thu gom rác chủ yếu bằng phương pháp thủ công, đội ngũ lao công trực tiếp quét và thu gom rác sau đó tập trung rác đến nơi xử lý. Thông thường công việc của họ thường làm vào buổi đêm, khi thành phố đã ngủ yên cũng là khi vắng xe cộ lưu thông trên đường. Loại chổi mà những người lao công sử dụng là loại chổi được kết từ cành cây, chổi có cán dài để thuân tiện cho công việc quét rác nhanh hơn. Khi rác được gom thành từng đống người lao công dùng gầu hốt cầm tay, hốt và đổ rác vào thùng xe chở rác chuyên dụng. Họ được trang bị áo phản quang, giày, bao tay, và mũ bảo hộ. Hình 4: Lao công làm chổi quét và quét đường Trung bình một đêm họ làm việc 6 đến 8 giờ và được phân công trước đoạn đường phải quét, thông thường một đêm định mức mỗi người phải quét 500m đường, bao gồm cả vỉa hề và lòng đường, họ được trả lương theo tháng, mức lương tùy thuộc vào số giờ làm việc hay đoạn đường họ quét được, trung bình 4.000.000 VNĐ/ 1 người/ 1 tháng. 8 Do làm việc thường xuyên vào buổi đêm, bên cạnh đó công việc của họ thường xuyên tiếp xúc với các loại rác thải độc hại nên ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe. Hình 5: Công việc thu gom rác của những người lao công Ngoài những phương pháp thu gom thủ công thì hiện nay đã có một số công ty môi trường đô thị đã sử dụng xe hốt rác tự động. Đó là những chiếc xe tải được cải tiến thành xe quét và thu gom rác tự động bằng cách gắn thêm những cơ cấu như chổi quét, cơ cấu hút bụi, tưới nước…Như xe quét và hút bụi đường của công ty công trình đô thị tỉnh Bình Dương. Hình 6: Xe quét và hút bụi đường 9 Hình 7: Xe quét đường tự động ở việt nam Cơ cấu hoạt động của loại xe này là: Hệ thống chổi xoay dưới gầm xe, chổi quét hoạt động quay tròn quét và gom rác vào phần giữa của xe, trong gầm xe có gắn cơ cấu hút rác, cơ cấu này hoạt động như một máy hút bụi, hút rác lên thùng. Ưu điểm của các loại xe này là công suất lớn, làm việc ổn định, quét rác hiệu quả. Bên cạnh đó cũng có những nhược điểm như chưa quét được ở rãnh nước chảy hai bên đường hay chân dải phân cách cố định trên đường( là nơi tập trung nhiều rác), không thích hợp cho việc quét và thu gom rác trong phạm vi sân trường và những nơi công cộng. Chi phí đầu tư cao, lên đến vài trăm triệu, tốn nhiều nhiện liệu khi vận hành. 2.3 Kết luận Ở nước ta, công việc quét và thu gom rác chủ yếu bằng những phương pháp trên, vậy việc nghiên cứu chế tạo xe hốt rác là cần thiết. 10 Chương 3: Thiết kế và chế tạo xe hốt rác 3.1 Cơ sở thiết kế xe Trồng cây trong khuôn viên trường sẽ đem lại nhiều bóng mát và không khí trong lành là chỗ học tập, sinh hoạt nhóm lý tưởng cho các bạn sinh viên, giữa buổi trưa nóng bức thả mình trên ghế đá dưới bóng mát của những hàng cây sau những giờ học căng thẳng chắc hẳn sẽ làm các bạn thoải mái hơn nhưng khi trời về chiều, trong sân trường lại xuất hiện một lượng lớn lá cây khô, nếu không có người quét thì lượng lá cây sẽ càng ngày càng nhiều. Trước tình hình đó việc thiết kế và chế tạo xe hốt rác đã được tiến hành nhằm mục đích thay thế công việc cho nhân viên lao công trong trường. Hình 8: Quét rác trong sân trường Ở một số đoạn đường như quốc lộ 13 trên địa bàn tỉnh Đồng Nai và Bình Dương có rất nhiều xe chở cát đá xây dựng, do công tác che chắn không tốt nên làm rơi vãi cát đá 11 rất nhiều trên đường. Nếu quét bằng tay sẽ không hiệu quả, tốn nhiều thời gian và công sức của người lao công. Thay vào đó người lao công chỉ cần đẩy xe hốt rác tự động trên đường, xe có thể tự quét và thu gom lượng đất đá rơi vãi trên đường. Hình 9: Đá rơi vãi trên quốc lộ 13 Hinh 10: Vị trí nhiều rác trên đường 12 3.2 Ý tưởng thiết kế 3.2.1. Ý tưởng thứ nhất Thiết kế xe hốt rác tự động sử dụng động cơ xe máy, chuyển dộng quay từ trục động cơ được truyền đến chổi quét và băng tải qua hệ thống xích tải, cơ cấu chổi quét, quét và đưa rác lên băng tải, băng tải đưa rác lên thùng chứa. Ưu điểm của ý tưởng: - Sử dụng động cơ xe máy nên thuận tiện cho việc di chuyển quét rác. - Làm việc ổn định, dễ vận hành. - Tuổi thọ của xe cao. Nhược điểm: - Do sử dụng động cơ xe máy nên phải sử dụng nhiên liệu khi làm việc, gây tiến ồn và không thân thiện với môi trường - Giá thành cao. - Tốn nhiều chi phí cho bảo dưỡng và sửa chữa khi xe hư hỏng. 3.2.2. Ý tưởng thứ hai Thiết kế xe quét và hốt rác hoạt động hoàn toàn bằng các cơ cấu chuyển động cơ khí thiết kế hộp tăng tốc, hộp tăng tốc truyền chuyển dộng quay từ trục bánh xe đến cơ cấu chổi quét và băng tải qua hệ thống xích tải, cơ cấu chổi quét, quét và đưa rác lên băng tải, băng tải đưa rác lên thùng chứa. Thiết kế thêm hai chổi phụ gắn ở bên cạnh phía trước của xe với mục đích quét rác ở hai bên rìa đường, cạnh dải phân cách trên đường nơi mà những xe hốt rác hiện tại chưa quét được Tỷ số truyền của hộp tăng tốc dự tính: Tốc độ quay của trục đầu ra sẽ tăng gấp 20 lần so với trục đầu vào. 13 Ưu điểm của ý tưởng: - Hệ thống không sử dụng năng lượng, không gây ô nhiểm, thân thiện với môi trường. - Hoạt động tương đổi ổn định. - Chi phí chế tạo rẻ. - Không gây ồn. - Dễ dàng di chuyển để quét rác Nhược điểm: - Yêu cầu về độ chính xác khi gia công cơ khí cao. - Khi hoạt động do lực mômen ban đầu lớn nên đẩy xe còn nặng. 3.2.3. Chọn phương án tối ưu và hiệu quả nhất Trong quá trình thiết kế ý tưởng trên lý thuyết nhóm nhận thấy ý tưởng thứ hai là có tính khả thi cao nhất và hoạt động có hiệu quả nhất bởi có nhiều ưu điểm trong việc tính toán trên lý thuyết. 3.3 Phương án thiết kế cơ khí Hệ thống xe sử dụng ba bánh xe, một bánh nhỏ phía sau và hai bánh lớn phía trước, thùng xe được thiết kế như hình vẽ và được cố định bằng dàn khung xe, khung xe và thùng xe được cố định với nhau bằng các chốt. Ngoài ra còn có hai bánh xe nhỏ được lắp trên thanh đỡ chổi quét, nhiệm vụ của hai bánh xe nhỏ này là vừa cố định cơ cấu chổi quét vừa có tác dụng làm cơ cấu tự lựa cho chổi quét và băng tải khi xe di chuyển trên đường gặp chướng ngại vật. Hộp tăng tốc được gắn dưới gầm xe, gần bánh xe lớn bên phải để truyền chuyển động từ trục xe ra hệ thống chổi quét rác. 14 Bánh xe bên trái được gắn thêm một cặp bánh răng nhằm đảo chiều quay và tăng tốc độ quay của bánh xe ba lần, sau đó truyền chuyển động đến cơ cấu băng tải nhở hệ cơ cấu bánh xích. Chổi quét chính được làm từ sợi nhựa và được gắn trên trục hình trụ tạo thành một hệ thống guồng quay. Khoảng cách các chổi được bố trí sao cho hoạt động quét của chổi là liên tục. Chổi quét phụ được làm từ sợi thép gắn trên một tấm thép hình tròn, chổi quét phụ được bố trí ở hai bên rìa ngoài chổi quét chính để quét rác từ hai bên( nơi mà chổi quét chính không quét tới) vào phạm vi quét của chổi quét chính, chổi quét chính quét rác lên băng tải Cơ cấu gầu hốt rác được làm từ thép tấm, uốn thành một cung tròn, miệng gầu hốt nằm sát đất, phần cung tròn được bố trí luôn ôm sát cơ cấu chổi quét nhằm mục đích quét được cát và đá rơi vãi trên đường. Cơ cấu chổi quét có nhiệm vụ quét và đưa rác lên băng tải, băng tải hoạt động đưa rác lên đổ vào thùng chứa. 1 2 5 6 4 3 8 7 Hình 11: Hình ảnh tổng quan về xe 1. Khung xe 2. Thùng xe 3. Bánh xe 6. Chổi quét 4. Hộp tăng tốc 7. Gầu hốt rác 5. Băng tải 8. Cơ cấu truyền động 15 ™ Nguyên lý làm việc của xe Hình 12: Xe hót rác Xe không sử dụng động cơ, không sử dụng năng lượng nên chỉ cần đẩy xe là hệ thống hoạt động. Đầu tiên bánh xe họat động, bánh xe bên phải chuyền chuyển động đến hộp tăng tốc vì trục dẫn hướng của hộp tăng tốc được nối với trục của bánh xe, hộp tăng tốc hoạt động sẽ truyền chuyển động ra cơ cấu chổi quét nhở hệ thống bánh xích, khi qua hộp tăng tốc đến chổi quét thì tốc độ quay của bánh xe tăng lên 10 lần làm cho chổi quét quay mạnh, cơ cấu chổi quét và đưa rác qua gầu hốt lên băng tải. Đồng thời lúc này ở bánh xe bên trái, cơ cấu bánh răng hoạt động làm đổi chiều quay của trục bánh xe sau đó truyền chuyển động lên băng tải nhờ cơ cấu bánh xích, qua cơ cấu bánh xích tốc độ của băng tải cũng được tăng lên ba lần so với tốc độ của bánh xe. 16 Cơ cấu gầu hốt rác luôn có xu hướng tiếp xúc với mặt đướng tạo điều kiện cho chổi quét được các loại rác có kích thước nhỏ hoặc cát lên băng tải một cách dễ dàng và làm cho quá trình quét được sạch hơn. Băng tải có nhiệm vụ đưa rác lên đổ vào thùng. Thùng xe được thiết kế rời nên khi rác đầy người lao công chỉ cần mở chốt giữ và kéo thùng rác về phía sau ra ngoài và thay thùng rác khác vào để tiếp tục công việc. 3.3.1 Thiết kế khung xe Khi xe làm việc, khung xe có nhiệm vụ: ™ Cố định các bộ phân của xe. ™ Chịu tải trọng của xe và tải trọng của lượng rác có trong thùng xe. ™ Bảo đảm độ cứng vững và giữ cho xe luôn hoạt động tốt Dựa trên nhiệm vụ đề ra khung xe được thiết kế như sau: Khung xe được chia ra thành hai phần, gồm phần khung đỡ băng tải và phần khung gắn bánh xe. Khung đỡ băng tải Khung gắn bánh xe Hình 13: Phần khung xe 17 ™ Khung đỡ băng tải( khung tròn): Được thiết kế bằng thép ống Ø30 vì loại thép này có ưu điểm là dễ uốn theo hình dạng thiết kế, giảm trọng lượng của khung xe. Khung được uốn như hình vẽ, phần đầu nghiêng một góc 45 độ, đây là phần cố định độ dốc của băng tải. Hình 14: Bản vẽ chi tiết của khung đỡ băng tải ™ Khung gắn bánh xe( khung vuông): Hình 15: Kích thước khung gắn bánh xe 18 Khung vuông được thiết kế bằng thép V3 được cố định với nhau bằng các mối hàn. Ưu điểm của việc sử dụng loại thép này là dễ hàn, dễ khoan lỗ, giảm trọng lượng của khung xe. Hai phần khung được gép với nhau bằng buloong nhằm mục đích dễ dàng tháo lắp khi sửa chữa và bảo trì. 3.3.2 Thiết kế thùng xe Ý tưởng thiết kế thùng xe là thùng xe không gắn liền với khung xe, khi rác đầy người lao công dễ dàng thay thùng rác khác để công việc không bị gián đoạn, thùng xe vát về phía băng tải nhằm thuận lợi cho băng tải dễ dàng đưa rác lên thùng. Hình 16: Kích thước thùng xe 19 Thùng xe được thiết kế như hình vẽ với mục đích phù hợp với khung xe, thùng xe làm bằng thép ống vuông 2cm, hàn lại với nhau thành một khung vuông sau dó dùng thép tấm 0.5mm bao quanh cố tạo thành thùng kín. Do trên khung xe có cơ cấu hộp tăng tốc nên thùng xe bị cắt một góc, góc cắt đó bằng kích thước của hộp tăng tốc. Vì thùng chịu lực tương đối nhỏ vì vậy ta dùng vật liệu làm tấm là thép CT3 và thép hộp vuông 20mm, ưu điểm của loại vật liệu này là nhẹ, dễ gia công. Hình 17: Thép tấm và thép hộp làm thùng xe 3.3.3 Bánh xe Hệ thống sử dụng ba bánh xe chủ đạo, hai bánh xe lớn và một bánh nhỏ, ngoài ra còn có hai bánh xe nhỏ ở phía trước có nhiệm vụ nâng chôi quét lên khi gặp chướng ngại vật trên đường. Bánh xe là cơ cấu quan trọng vì bánh xe vừa chị tải trọng vừa truyền chuyển động đến các cơ cấu băng tải và chổi quét. Khi thiết kế nhóm đã lựa chọn phương án sử dụng bánh xe có sẵn trên thị trường nhằm tiết kiệm chi phí cũng như thời gian chế tạo. Bánh xe bên phải truyền chuyển động đến cơ cấu chổi quét qua hộp tăng tốc, bánh xe bên trái truyền chuyển động đến cơ cấu băng tải qua một cặp bánh răng và một cặp nhông xích. 20 1 2 3 Hình 18: Bánh xe 1. Bánh xe lớn 2. Bánh xe nhỏ 3. Ổ lăn tự lựa 3.3.3.1 Bánh xe lớn Hai bánh xe lớn là hai bánh truyền chuyển động đến các cơ cấu của xe. Đường kính bánh lớn d = 600, chiều rộng bánh xe tếp xúc với mặt đường là 60. Do chuyển động của từ bánh xe đến các cơ cấu chổi quét và cơ cấu băng tải là chuyển động quay trục nên bánh xe được cố định với trục bằng phương pháp taro bắt ốc. Hình 19: Bánh xe lớn