Kiểu đầu tiên là bốc theo dự án cũ. Dự án trước dùng 1.5 kW chạy ổn thì dự án này tải nặng hơn một chút, cứ nhân lên 1.5 lần rồi chọn 2.2 kW cho chắc. Không tính toán gì thêm. Cách này may mắn thì máy chạy được, không may thì hoặc là động cơ quá yếu hoặc là chọn thừa công suất gấp đôi so với thực tế cần, lãng phí chi phí mà không biết mình đang lãng phí.
Kiểu thứ hai là có tính toán nhưng chỉ tính lực tĩnh, tức là lấy tải nhân với cánh tay đòn rồi ra moment. Bước này không sai nhưng thiếu một thành phần quan trọng là moment quán tính khởi động. Kết quả là chọn được động cơ đủ để duy trì chuyển động nhưng không đủ để khởi động tải từ trạng thái đứng yên. Máy lắp vào, bấm nút, động cơ ì ra không quay hoặc quay rất chật vật rồi trip cầu dao. Lúc đó anh em lại đổ lỗi cho điện yếu, cho nhà cung cấp bán hàng kém chất lượng, trong khi vấn đề nằm ngay ở khâu tính toán từ đầu.
Kiểu thứ ba là áp dụng công thức đầy đủ nhưng cứng nhắc, tính đủ bốn thành phần kể cả khi cụm máy nhỏ và đơn giản, dẫn đến mất thời gian không cần thiết mà kết quả không khác mấy so với cách ước lượng nhanh.
Bài viết này mình sẽ hướng dẫn anh em cách tính đúng, tính đủ và biết khi nào cần tính gọn để ra được thông số động cơ phù hợp với thực tế dự án.
Công thức tính động cơ tổng quát
Công thức tính moment xoắn tổng mà động cơ cần tạo ra là:
M_Total = M_friction + M_inertia + M_slope + M_loss
Đây là bốn thành phần moment mà bạn cần nắm rõ trước khi quyết định chọn động cơ. Bỏ sót bất kỳ thành phần nào cũng có thể dẫn đến việc động cơ không khởi động được hoặc chạy không đủ lực.
M_friction là moment do lực ma sát
Đây là moment sinh ra do ma sát giữa tải và bề mặt tiếp xúc khi chuyển động. Thành phần này tính dựa trên lực pháp tuyến Fy tác dụng vuông góc với mặt phẳng chuyển động, hệ số ma sát μ của vật liệu tiếp xúc, và bán kính truyền động r.
Fy được tính theo công thức Fy = m.g.cosα, trong đó m là khối lượng tải tính bằng kg, g là gia tốc trọng trường 9.8 m/s², và α là góc nghiêng của mặt phẳng so với phương nằm ngang. Nếu hệ thống nằm ngang hoàn toàn thì α bằng 0, cosα bằng 1, lúc này Fy chính là toàn bộ trọng lượng của tải.
Ví dụ thực tế: băng tải nằm ngang chở phôi 50 kg, hệ số ma sát giữa con lăn và tải khoảng 0.05, bán kính con lăn 0.05m. Lúc này M_friction = 50 × 9.8 × 1 × 0.05 × 0.05 = 1.225 Nm. Nhìn con số này một mình thì có vẻ nhỏ, nhưng cộng với các thành phần còn lại mới ra được bức tranh đầy đủ.
M_inertia là moment quán tính khởi động
Đây là thành phần mà phần lớn kỹ sư hay bỏ qua và cũng là nguyên nhân số một khiến động cơ chọn đúng công suất vận hành nhưng vẫn không khởi động được.
M_inertia là moment cần thiết để tăng tốc tải từ trạng thái đứng yên lên tốc độ làm việc trong một khoảng thời gian xác định. Công thức tính là M_inertia = J_Total × α, trong đó J_Total là tổng moment quán tính của hệ và α là gia tốc góc.
J_Total được tính bằng tổng moment quán tính của từng khối lượng. Với khối lượng tịnh tiến m₁ thì J_m1 = m₁.r². Với khối lượng quay dạng trụ đặc m₂ thì J_m2 = 1/2.m₂.r². Gia tốc góc α được tính bằng a/r, trong đó a là gia tốc tịnh tiến của tải.
Ví dụ thực tế: cùng một mâm xoay 80 kg, bán kính 0.3m. Nếu bạn muốn mâm đạt tốc độ làm việc trong 0.5 giây thì M_inertia sẽ lớn hơn rất nhiều so với yêu cầu tăng tốc trong 2 giây. Hai máy cùng tải trọng, cùng tốc độ vận hành nhưng yêu cầu chu kỳ khác nhau có thể cần động cơ chênh nhau gần gấp đôi công suất. Đây là lý do vì sao bốc theo dự án cũ mà không xem lại yêu cầu chu kỳ thì rất dễ sai.
M_slope — Moment do độ nghiêng
Nếu hệ thống có mặt phẳng nghiêng thì bạn cần tính thêm thành phần này. Công thức là M_slope = m.g.sinα.r, trong đó m là khối lượng tải, g là 9.8 m/s², α là góc nghiêng và r là bán kính truyền động.
Ví dụ thực tế: hệ nâng hàng lên cao theo phương thẳng đứng thì α bằng 90 độ, sinα bằng 1, toàn bộ trọng lượng tải trở thành lực cản mà động cơ phải thắng. Đây là trường hợp M_slope chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng moment và không thể bỏ qua. Ngược lại nếu hệ thống hoàn toàn nằm ngang thì M_slope bằng 0 và bạn loại thành phần này ra khỏi công thức.
M_loss — Moment hao tổn do truyền động
Đây là phần moment bị tiêu hao qua các khớp nối, hộp giảm tốc, dây curoa, ổ lăn trong chuỗi truyền động. Công thức tính là M_loss = (M_friction + M_inertia + M_slope) × (1/η − 1), trong đó η là hiệu suất tổng của hệ thống truyền động.
Hiệu suất η tham khảo của từng thành phần: motor khoảng 85 đến 95%, hộp giảm tốc bánh răng khoảng 90 đến 95%, hộp giảm tốc trục vít chỉ 60 đến 80% nên cần lưu ý đặc biệt khi dùng loại này, dây curoa và xích khoảng 90 đến 97%, ổ lăn và bạc đạn khoảng 98 đến 99%.
η tổng của cả hệ thống là tích của tất cả các hiệu suất thành phần. Chuỗi truyền động càng dài thì η tổng càng thấp và M_loss càng lớn.
Thực tế không phải lúc nào cũng cần tính đủ bốn thành phần
Với các cụm máy nhỏ, tải nhẹ, tốc độ thấp và chuỗi truyền động đơn giản thì phần M_loss đôi khi rất nhỏ so với tổng. Trong trường hợp đó thay vì tính M_loss chi tiết, bạn có thể nhân M_Total tính được với hệ số an toàn từ 1.2 đến 1.3 là đủ. Công thức gọn hơn mà vẫn đảm bảo an toàn.
Tuy nhiên với các cụm lớn, tải nặng hoặc dùng hộp giảm tốc trục vít thì bắt buộc phải tính đầy đủ vì M_loss lúc này có thể chiếm 20 đến 40% tổng moment. Bỏ qua là chắc chắn chọn thiếu công suất.
Đây chính là thứ mà anh em học trong khóa thiết kế máy và tính toán thiết bị tại Hải Cơ Khí. Không phải chỉ học công thức rồi tính tay mà còn được hướng dẫn ứng dụng trực tiếp trên phần mềm tính toán của hãng. Lợi ích lớn nhất khi hiểu bản chất là khi nhập dữ liệu vào phần mềm mà kết quả ra sai hoặc bất thường, bạn biết ngay sai ở thành phần nào để điều chỉnh, thay vì loay hoay không hiểu tại sao con số lại như vậy.
Anh em sẽ được thực hành trên các cơ cấu thực tế như băng tải, hệ mâm xoay tròn, hệ nâng hàng lên cao, chuyển động vít me. Mỗi loại cơ cấu có đặc điểm tải khác nhau và cách tiếp cận tính toán cũng khác nhau. Ngoài ra anh em còn được học cách phân biệt các loại động cơ, nguyên lý điều khiển, ứng dụng phù hợp của từng loại và các thương hiệu phổ biến trên thị trường Việt Nam để biết khi nào nên chọn hãng nào cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và tiến độ dự án.
Chọn động cơ không chỉ là bài toán công suất
Sau khi tính được M_Total và ra được công suất cần thiết, đây vẫn chưa phải bước cuối cùng. Thực tế khi đặt hàng, bạn còn phải cân đối giữa thông số kỹ thuật, thời gian giao hàng và chi phí.
Ví dụ thực tế: bạn tính ra cần động cơ 0.75 kW, nhưng nhà cung cấp báo thời gian giao hàng mất 6 tuần vì không có hàng sẵn ở Việt Nam, trong khi dự án cần lắp trong 3 tuần. Lúc đó bạn hoàn toàn có thể cân nhắc nâng lên 1.1 kW nếu có hàng sẵn kho. Nhiều bạn lo ngại nâng công suất lên thì chi phí tăng mạnh. Nhưng thực tế mức chênh lệch giá giữa 0.75 kW và 1.1 kW ở cùng thương hiệu thường chỉ khoảng 10%. Đó là con số không đáng để bạn đánh đổi 3 tuần chờ hàng và trễ toàn bộ tiến độ bàn giao.
Tư duy chọn thiết bị của kỹ sư thiết kế máy chuyên nghiệp không phải là tối ưu từng con số trên giấy. Mà là tối ưu tổng thể giữa kỹ thuật, tiến độ và chi phí thực tế của dự án.
Nếu anh em muốn học bài bản từ cách tính toán cho đến cách ra quyết định chọn thiết bị trong thực tế, tham khảo khóa thiết kế máy và tính toán thiết bị tại Hải Cơ Khí tại đây:
