Vấn đề cơ giới hóa trong sản xuất than đã được đưa vào các hội nghị, nghị quyết trong quy hoạch chiến lược phát triển ngành than. Trong tương lai và những năm gần đây, khai thác hầm lò đang được đẩy mạnh và chiếm tỷ trọng ngày càng lớn. Ở các nhà máy cơ khí mỏ sản xuất cầu máng cào, phổ biến vẫn dùng phương pháp hàn hồ quang tay, gá lắp thô sơ. Việc cơ giới hóa, tự động hóa đồng bộ trong những khâu quan trọng nhằm tăng năng suất, giảm giá thành, đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của ngành. Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ và Xử lý bề mặt đã thực hiện Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước ĐTĐLCN.32/16, được nghiệm thu cấp Nhà nước vào tháng 9/2019. Kết quả đã thiết kế chế tạo thành công hệ thống tự động hàn cầu máng cào MC80, năng suất 80 sản phẩm/ca đưa vào thử nghiệm tại Công ty Cổ phần Cơ khí Mạo Khê – Vinacomin. 

Cầu máng cào trong ngành than có nhu cầu sử dụng rất lớn trong khai thác hầm lò. Trong nước, hiện chưa có đơn vị nào thiết kế và chế tạo hệ thống hàn tự động đồng bộ để sản xuất cầu máng cào. Việc thiết kế, chế tạo dây chuyền áp dụng công nghệ hàn tự động đồng thời nhiều mỏ cho sản phẩm cầu máng cào với năng suất 80 sản phẩm/ca, tăng lên từ 6 lần so với năng suất hàn thủ công hiện tại và cho ra sản phẩm ổn định về chất lượng, giảm được nhân công trên đơn vị sản phẩm (hệ thống này chỉ cần 4 công nhân và 1 kỹ thuật viên) giúp cho tăng năng lực và quy mô phát triển của cơ sở sản xuất.

Đây sẽ là hệ thống hàn tự động đầu tiên trong nước áp dụng cho hàn chế tạo cầu máng cào. Hệ thống này được kết hợp cơ giới hóa từ khâu gá phôi, tổ hợp chi tiết, hàn tự động tới nắn chống biến dạng và cho ra sản phẩm đạt chất lượng. Chính vì vậy, việc xây dựng một dây chuyền thiết bị hàn tự động cầu máng cào MC80 là cần thiết để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng cầu máng cho ngành than nói riêng cũng như các ngành khai thác khoáng sản nói chung hiện nay. Phương pháp nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống: đi từ việc phân tích sản phẩm, công nghệ chế tạo, thiết kế mô hình hệ thống công nghệ đến thiết kế chế tạo các mô đun thành phần tham gia vào hệ thống.

Cầu máng cào được hình thành từ các mối hàn góc, hàn chồng, hàn nối để tổ hợp chi tiết (Hình 1).

Vật liệu chế tạo cầu máng cào: sử dụng thép 16Mn (Bảng 1) đảm bảo làm việc trong điều kiện môi trường ăn mòn và mài mòn. 

Chu trình hàn tự động cầu máng cào:

- Hàn tự động (hàn 4 đường dọc thân và lưỡi): Hàn tự động đồng thời hai mỏ trên hai hệ thống hàn kết hợp với lật phôi tự động. Hàn lưỡi thực hiện đồng thời hai mỏ.

- Hàn bán tự động: áp dụng cho hàn đính, hàn tai do tỷ trọng và kích thước mối hàn nhỏ, không gian hàn hẹp. Khâu này dùng phương pháp hàn bán tự động kết hợp đồ gá.

- Di chuyển trong các bước công nghệ được cơ giới hóa, tự động hóa. Việc tính toán thời gian trong các công đoạn thực hiện phải nằm trong giới hạn nhịp sản xuất là 6 phút để đảm bảo năng suất của hệ thống (80 sản phẩm/ca).

Đặc điểm cấu tạo và thiết lập chu trình hàn tự động đối với chi tiết cầu máng cào, xây dựng mô hình cấu tạo thiết kế 3D tổng thể của hệ thống thiết bị tự động hàn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật - chất lượng và năng suất làm việc được trình bày trên các Hình 2 và 3.

Trong hệ thống thiết bị hàn tự động cầu máng cào, mỗi khâu làm việc tương đương với một hoặc nhiều cụm thiết bị, bao gồm: Cụm hàn đính và tổ hợp; Cụm hàn thân (hàn bốn đường dọc của cầu máng); Cụm hàn lưỡi cầu máng; Cụm quay và lật sản phẩm; Cụm xả sản phẩm; Cụm hàn tai; Cụm nâng hạ sản phẩm.

- Áp dụng thiết kế chuỗi mô đun, liên kết vách thép đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau trong hàn tự động cầu máng cào.

- Nâng cao khả năng điều chỉnh trong lắp đặt và vận hành.

- Áp dụng thiết kế 3D để kiểm tra các cụm mô đun và hệ thống.

- Biến dạng nhiệt khi hàn được hạn chế và khắc phục bởi việc áp dụng hàn hai mỏ đối xứng kết hợp nắn nóng liên tục trong quá trình hàn nhờ cụm con lăn nắn thủy lực.

- Chuẩn định vị và chuẩn di chuyển của dây chuyền sử dụng hai mặt phẳng vuông góc là mặt đáy tấm thành và mặt phẳng tấm giữa. Cữ định vị và hệ thống kẹp chặt dùng khí nén.

- Áp dụng nguyên lý vận chuyển nhờ ma sát để tránh quá tải. Sản phẩm di chuyển theo tư thế dựng đứng theo chiều rộng, hệ thống con lăn dẫn động và các cụm con lăn tỳ dẫn hướng theo chuẩn định vị thống nhất, đảm bảo quá trình di chuyển thông suốt và ổn định vị trí của sản phẩm, nhằm hạn chế sai lệch khi thực hiện đường hàn. Một số cụm cơ khí đại diện trong quá trình thiết kế chế tạo hệ thống, như sau.

Dưới đây trình bày kết quả của việc thiết kế chế tạo một số mô đun chính trong hệ thống.

* Yêu cầu kỹ thuật: Hệ thống đồ gá hàn đính tổ hợp có cấu trúc hợp lý đáp ứng được yêu cầu: Gá lắp, định vị, ổn định cho việc tổ hợp chi tiết cầu máng cào; đảm bảo không gian thao tác khi hàn đính; đáp ứng năng suất làm việc của dây chuyền.

* Đặc điểm về định vị và di chuyển sản phẩm: 

- Di chuyển và định vị các tấm thành bên, tấm giữa bằng con lăn và cữ chặn.

- Các tấm được kẹp chặt bằng cơ cấu truyền động khí nén.

- Di chuyển sản phẩm bằng băng truyền con lăn xích.

- Phương pháp hàn: sử dụng công nghệ hàn MAG trong môi trường khí bảo vệ.

* Yêu cầu kỹ thuật:

- Kết cấu đảm bảo độ cứng vững.

- Hệ thống di chuyển hoạt động trơn, nhẹ.

- Đảm bảo hàn ổn định 8giờ/ca làm việc.

- Sai số biến dạng sau khi hàn ≤ 1,5 mm.

- Khả năng điều chỉnh linh hoạt tốc độ hàn theo chu trình thông qua động cơ biến tần. 

* Đặc điểm cấu tạo 

- Cụm cơ cấu xử lý biến dạng hàn: 

+ Biến dạng hàn được tính toán và khắc phục bằng phương pháp nắn liên tục trong quá trình hàn dùng bộ nắn con lăn tỳ thủy lực. 

+ Hệ con lăn tỳ đi ngay sau mỏ hàn, với việc con lăn tỳ đi ngay sau mỏ hàn, cầu máng cào được xử lý biến dạng ngay khi phôi còn nóng.

- Thiết kế hệ thống di chuyển máng cào ngoài đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải và vận tốc (Tốc độ di chuyển máng cào v = 0,0125 m/s, Khối lượng vận chuyển tối thiểu: Q = 100 kg, Lực tỳ P = 61902 N) [5]

- Phương pháp hàn: sử dụng công nghệ hàn MAG đồng thời hai mỏ hàn.

Như vậy, để đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm và tính năng, sự ổn định khi hàn, kết cấu cụm hàn đường tự động được cấu tạo, bao gồm 6 bộ phận chính như được nêu tại Hình 6 dưới đây.

* Chức năng của cụm hàn lưỡi

Cụm hàn lưỡi là bước công nghệ sau khi kết thúc công đoạn hàn đường tự động cầu máng cào có nhiệm vụ chính sau: 

- Di chuyển sản phẩm: sản phẩm sau khi được hàn thân xong và được đẩy trên hệ thống con lăn tự động để tiếp tục cho công đoạn hàn lưỡi.

- Giữ sản phẩm: máng cào sau khi qua công đoạn hàn thân.

- Quá trình hàn lưỡi: Phôi cầu máng di chuyển đến đúng vị trí; nạp lưỡi và thực hiện hàn đứng tự động hai mỏ với chu trình hàn đứt đoạn so le ở hai phía nhờ động cơ bước.

- Phương pháp hàn: sử dụng công nghệ hàn MAG đồng thời hai mỏ hàn.

* Yêu cầu kỹ thuật

- Thực hiện quá trình gá đặt lưỡi tự động và hàn đồng thời hai mỏ hàn từ trên xuống với tư thế thẳng đứng và ngắt quãng.

- Để đảm bảo các đường hàn lưỡi chính xác và đạt chất lượng, đòi hỏi chế tạo và lắp đặt chính xác cụm hàn lưỡi nhằm xác định vị trí thẳng đứng của đường hàn.

- Gá đặt chi tiết lưỡi phải đảm bảo thuận tiện, chắc chắn khi thực hiện đường hàn. Dùng cữ cố định và gá kẹp nhanh khí nén.

Hệ thống đã đi vào vận hành dây chuyền hoạt động liên hoàn tất cả các công đoạn từ khâu hàn đính tới đầu ra là sản phẩm cầu máng cào MC80 hoàn chỉnh. Các bước thực hiện:

- Bước 1. Hàn đính: Gá kẹp phôi, hàn đính tạo hình

- Bước 2. Hàn 1: Thực hiện 2 đường dưới bằng 2 mỏ đồng thời

- Bước 3. Lật sản phẩm: Đưa 2 đường hàn dưới lên trên đồng thời 2 đường cần hàn ở trên xuống dưới để đưa vào vị trí hàn.

- Bước 4. Hàn 2: Thực hiện 2 đường trên bằng 2 mỏ đồng thời

- Bước 5. Hàn lưỡi: Gá kẹp lưỡi thực hiện hàn so le hai phía ở phương thẳng đứng

- Bước 6. Lật sản phẩm: Lật sản phẩm để đưa vào vị trí hàn tai bằng cẩu quay

- Bước 7. Hàn tai: Thực hiện gá lắp và hàn các chi tiết tai, gân, quai xách.

Hệ thống thực hiện dòng sản phẩm liên hoàn, chuyển động thông qua băng tải trung gian.

Thiết kế chế tạo thành công, đưa vào lắp đặt thử nghiệm hệ thống thiết bị hàn tự động cầu máng cào tại Công ty CP Cơ khí Mạo Khê từ tháng 7/2019 đến 8/2019 (Hình 7-9). 

Kết quả đạt được của hệ thống sau khi lắp đặt, chạy thử nghiệm như sau:

- Hệ thống vận hành liên hoàn, thực hiện được các dạng mối hàn của chi tiết đúng vị trí và đạt yêu cầu chất lượng.

- Tốc độ trung bình băng chuyền đạt 1.5 m/ph, tốc độ hàn đường 0.65 m/ph.

- Sai số hình dáng ≤ 1.5 mm.

- Tính năng điều chỉnh linh hoạt. Có khả năng hàn cho 5 loại cầu máng cào có kích thước từ 420 đến 620mm.

- Năng suất ≥ 80 cầu máng MC80/ca.

- Chất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn TCVN 1691-75-T1. 

1. Lần đầu tiên Đề tài đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công dây chuyền thiết bị hàn tự động cầu máng cào. Dây chuyền thiết bị bao gồm 06 cụm thiết bị công nghệ, trong đó nền tảng là cụm thiết bị hàn 4 đường dọc. Tính năng điều chỉnh linh hoạt. Có khả năng hàn cho 5 loại cầu máng cào có kích thước từ 420 đến 620mm.

2. Dây chuyền thiết bị công nghệ được chế tạo bằng thiết bị CNC, sử dụng các vật liệu, thiết bị và linh kiện phụ trợ tiên tiến. Được điều khiển tự động PLC linh hoạt và đồng bộ.

3. Chất lượng các cầu máng cào MC80 được hàn tự động trên dây chuyền thiết bị đã được kiểm nghiệm bằng các phương pháp: thử nghiệm cơ tính, kiểm tra siêu âm UT, kiểm tra thẩm thấu PT, kiểm tra Xray và hình dáng hình học của mối hàn theo tiêu chuẩn TCVN 1691-75-T1 và đều đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật.

Năng suất của dây chuyền đạt và vượt 80 sản phẩm/ ca; tốc độ trung bình của dây chuyền 50m/h; chiều dày của chi tiết hàn 5 - 15 mm; sai số vị trí đường hàn trong phạm vi là ± 1,5mm.

4. Trong quá trình thực hiện Đề tài, nhóm nghiên cứu đã công bố các kết quả nghiên cứu thông qua 02 bài báo; góp phần đào tạo 01 thạc sỹ, 02 kỹ sư; 01 giải pháp hữu ích.

1. Do đặc điểm của dây chuyền thiết bị được điều khiển tự động hoàn toàn nên việc tạo phôi các kết cấu của sản phẩm đòi hỏi yêu cầu về độ chính xác và dung sai gia công rất cao, vì vậy kiến nghị cần quan tâm nhiều đến việc hiện đại hóa khâu gia công tạo phôi.

2. Công nghệ hàn đóng vai trò quyết định trong dây chuyền công nghệ, nên các kỹ thuật viên và giám sát viên của dây chuyền kiến nghị sử dụng đội ngũ các kỹ thuật viên có chuyên môn hàn là chính.

3. Có thể xem xét nâng tầm của Đề tài lên Dự án sản xuất thử nghiệm phục vụ cho ngành khai thác mỏ hiện nay.

Lời cám ơn: Công trình được hoàn thành với sự tài trợ kinh phí của đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước ĐTĐLCNN.32/16.

[1]  TS. Ngô Lê Thông, Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội 2007.

[2]  PGS.TS. Hoàng Tùng, PGS. TS. Nguyễn Thúc Hà, Sổ tay hàn, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2007.

[3]  Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2000), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 & 2 , Nxb Giáo dục.

[4]  Trần Văn Địch, Nguyễn Trọng Bình (2008), Công nghệ chế tạo máy, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.

[5]  Nguyễn Phúc Đáo. Hệ thống khí nén thủy lực. Nxb Giáo dục -2000.

[6]  http://www.plm.pw/2016/06/welding-robot.html

[7]  http://welding-shop.plm.pw/top-automation

[8]  http://www.autowelding.ru/publ/1/1/1/5-1-0-64

[9]  http://apollo-zmk.ru/news/poseshhenie-zavoda-metallokonstrukcij-zebau-polsha