CẢI TIẾN HỆ THỐNG XYLANH THỦY LỰC TRONG MÁY XÚC LẬT

Máy xúc lật, là máy xây dựng thuộc loại thiết bị cơ giới, có công dụng chính để bốc xúc đất, đá và vật liệu rời, vận chuyển chúng trong gầu xúc của máy, để đổ lên thiết bị vận chuyển khác (ô tô tải) hay kho chứa với độ cao đổ nhất định cao hơn nền đất.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA:XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KỸ THUẬT

XYLANH THỦY LỰC TRONG MÁY

XÚC LẬT

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện: PHẠM LÊ KHẢI MSSV: 0810700

NGUYỄN VĂN DƯƠNG MSSV: 08107025

TP_HỒ CHÍ MINH 011/2011

LỜI NÓI ĐẦU

Máy xúc lật, là máy xây dựng thuộc loại thiết bị cơ giới, có công dụng chính để

bốc xúc đất, đá và vật liệu rời, vận chuyển chúng trong gầu xúc của máy, để đổ lên thiết bị vận chuyển khác (ô tô tải) hay kho chứa với độ cao đổ nhất định cao hơn nền đất Máy xúc lật hoàn toàn có thể dùng để đào đất đá từ mềm đến cứng vừa (đất cấp I, II), dạng rời hay liền thổ nhưng vị trí đào nằm ngang hoặc cao hơn vị trí máy đứng (cao hơn nền đất máy đứng) Máy xúc lật được sử dụng nhiều trong xây dựng, khai thác mỏ, vận tải (bốc xúc hàng hóa ở kho bãi),

Khả năng vận chuyển của máy được thực hiện nhờ cơ cấu tay máy và hệ thống

xy lanh thủy lực Tuy nhiên việc thiết kế xy lanh thủy lực như thế nào để đạt

độ an toàn và năng suất cao nhất là một vấn đề rất được quan tâm hiện nay

Chính vì lý do trên nhóm đã đưa ra ý tưởng cải tiến hệ thống xy lanh thủy lực

Đề tài “ Cải tiến hệ thống xy lanh thủy lực trong máy xúc lật ” do nhóm thực

hiện áp dụng các bước của quá trình thiết kế được trình bày trong môn học Phương pháp thiết kế kỹ thuật để đưa ra một hệ thống xy lanh thủy lực đảm bảo

an toàn và đạt năng suất cao hơn so với các sản phẩm trên thị trường

Chúng em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tạn tình của thầy đã hướng dẫn chúng em thực hiện đề tài này

PHÂN CHIA NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

I.1.Thành lập nhóm thiết kế:

Dựa trên sản phẩm cần thực hiện, để phù hợp với việc thiết kế, chúng tôi thành lập nhóm Các thành viên trong nhóm được tuyển chọn cẩn thận phù hợp với mục tiêu đề ra Sau đây là thành phần của nhóm và đặc điểm tính cách của mỗi người:

1 Nguyễn Văn Dương

Sở thích: thể thao, đọc sách, âm nhạc

Tính cách: hòa đồng, biết lắng nghe

2. Phạm Lê Khải

Sở thích: thể thao, phim ảnh, đọc sách

Tính cách: hòa động,ham học hỏi

Để nhóm thiết kế làm việc hiệu quả cần có 8 vai trò

Vai trò thứ 1 - Người điều phối: là một người chin chắn, tự tin, có độ tin

cậy cao, có tính rộng rãi, không thành kiến, ó óc cầu tiến sẵn sàng tiếp thu cáimới Có khả năng trí tuệ và khả năng sáng tạo mức trung bình Có khả năng làm rõ mục tiêu và triển khai các quyết định đưa ra

Vai trò thứ 2 – Người lập kế hoạch: là người năng động, thẳng thắn, quyết

đoán Có tinh thần phấn đấu cao, ghét sự trì tuệ, sự không hiệu quả Sắp đặt công việc hợp lý, đưa ra các quyết định mang tính khách quan

Vai trò thứ 3 – Người phát kiến (sáng tạo): là người giàu trí tưởng tượng,

nóng nảy, thông minh Tính tình đôi lúc giống trẻ con Có khả năng giải quyết những bài toán khó Có xu hướng tự mãn và có thể là một người khó gần không thân thiện thường không thực tế, không quan tâm đến nghi thức

và thường làm việc dựa vào tri thức hơn là thực tế

Vai trò thứ 4 – Người đánh giá: là nggười thông minh, sắc sảo có tầm

nhìn rộng, và khả năng đánh giá kết quả chính xác Đôi lúc quá khe khắt vàtiêu cực, không thích làm lãnh đạo và ít khi đưa ra được ý kiến mới

Vai trò thứ 5 – Người khám phá: là người hướng ngoại, giao tiếp tốt, có

khả năng tạo ra các cơ hội, nhiệt tình Ít quan tâm đến các vấn đề chi tiết

Vai trò thứ 6 – Người làm việc: là người thực hiện các ý tưởng thành công

việc cụ thể Có tính kỷ luật cao, thực tế và hiệu quả Có khả năng tổ chức và có nhiều hiểu biết trong thực tế

Vai trò thứ 7 - Người chăm sóc nhóm: là nguời xây dựng tình cảm trong

nhóm, là cái khung giúp gắn bó cả nhóm lại với nhau Thường ra các quyết định chủ quan và không thích sự bất đồng trong nhóm

Vai trò thứ 8 - Người kết thúc công việc: là người có tính nguyên tắc, tỉ mỉ.

Hay lo lắng về các chi tiết nhỏ Thường lo lắng về tiến độ công việc và thườngbàn giao kết quả đúng thời hạn hạn

Thang điểm cho các vai trò:

Trên trung

Phát biểu bài toán thiết kế:

Máy xúc lật, là máy xây dựng thuộc loại thiết bị cơ giới, có công dụng chính để

bốc xúc đất, đá và vật liệu rời, vận chuyển chúng trong gầu xúc của máy, để đổ lên thiết bị vận chuyển khác (ô tô tải) hay kho chứa với độ cao đổ nhất định cao hơn nền đất Máy xúc lật hoàn toàn có thể dùng để đào đất đá từ mềm đến cứng vừa (đất cấp I, II), dạng rời hay liền thổ nhưng vị trí đào nằm ngang hoặc cao hơn vị trí máy đứng (cao hơn nền đất máy đứng) Máy xúc lật được sử dụng nhiều trong xây dựng, khai thác mỏ, vận tải (bốc xúc hàng hóa ở kho bãi),

Khả năng vận chuyển của máy được thực hiện nhờ cơ cấu tay máy và hệ thống

xy lanh thủy lực Tuy nhiên việc thiết kế xy lanh thủy lực như thế nào để đạt

độ an toàn và năng suất cao nhất là một vấn đề rất được quan tâm hiện nay

Chính vì lý do trên nhóm đã đưa ra ý tưởng cải tiến hệ thống xy lanh thủy lực

Đề tài “ Cải tiến hệ thống xy lanh thủy lực trong máy xúc lật ” do nhóm thực

hiện áp dụng các bước của quá trình thiết kế được trình bày trong môn học Phương pháp thiết kế kỹ thuật để đưa ra một hệ thống xy lanh thủy lực đảm bảo

an toàn và đạt năng suất cao hơn so với các sản phẩm trên thị trường

 NHIỆM VỤ CỦA TỪNG NGƯỜI

Bảng tóm tắt kế hoạch thực hiện

3 Xác định yêu cầu kỹ thuật

4 Đưa ra ý tưởng thiết kế

5 Xác định các thông số kỹ thuật

6 Thực hiện tính toán đưa ra công thức.

7 Phát họa mô hình trên máy tính

8 Lắp ráp các chi tiết

9 Mô phỏng hoạt động của cơ cấu

1 Phân tích yêu cầu tính toán

2 Khảo sát thực tế

3 Tính toán so sánh lý thuyết với các mô hình

4 Thiết lập qui trình tính toán

5 Tính toán các ví dụ minh họa

6 Kiểm tra tính đúng đắn của mô hình

7 Phân tích yêu cầu mô phỏng sản phẩm

8 Vẽ các chi tiết dùng INVENTOR

9 Hoàn thành báo cáo

10 Đánh giá ưu nhược điểm

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

I) Xác định yêu cầu khách hàng

Bước 1: xác định các thông tin cần thiết

Đối tượng sẽ tiến hành thu thập thông tin: nhà cung cấp máy móc, công nhân

trực tiếp vận hành, nhà thiết kế

Đối tượng nào sẽ là khách hàng chính sử dụng máy xúc

Các thông tin về hệ thống xy lanh thủy lực như: mục đích sử dụng, tính năng,

mức độ an toàn,…

Bước 2: xác định các phương pháp thu thập dữ liệu được dùng

Sử dụng phương pháp thăm dò khảo sát đối tượng

- Nhà cung cấp: hỏi 10 người

- Công nhân trực tiếp vận hành: hỏi 10 người

- Nhà thiết kế công nghiệp: hỏi 15 người

Bước 3: Xác định câu hỏi cá nhân

Cần đưa ra 10 câu hỏi tập trung vào hệ thống xy lanh thủy lực gồm các nội dungchính sau:

- Mục đích sử dụng

- Tính năng

- Mức độ an toàn tới đâu

Bước 4: Thiết kế câu hỏi

1. Câu hỏi dành cho người sử dụng và nhà cung cấp máy móc

a) Về mục đích sử dụng

Bạn sử dụng máy xúc với cường độ cao hay thấp?

Hoạt động trong môi trường làm việc nào?

Khối lượng cần nâng chuyển là bao nhiêu?

Bạn muốn sử dụng xy lanh loại nào?

Vật liệu dùng để làm xy lanh phải đảm bảo yêu cầu gì?

Xy lanh đòi hỏi những yêu cầu gì về kỹ thuật?

c) Về mức độ an toàn

Sự đồng bộ của hệ thống xy lanh khi nâng vật nặng?

Mức độ rơi vải vật liệu khi vận chuyển?

2. Câu hỏi cho nhóm chuyên trách

- Theo bạn việc thay thế 2 xy lanh bằng 1 xy lanh có ưu nhược điểm gì?

- Bạn hãy mô tả 1 hệ thống xy lanh thủy lực như thế nào là hiệu quả nhất

- Đối tượng nào là khách hàng quan tâm nhiều nhất đến sản phẩm này?Bước 5: Thu thập dữ liệu

Sau khi tìm hiểu lấy ý kiến ta thu được:

-Khách hàng muốn 1 máy xúc có yêu cầu hệ thống xy lanh:

Đối với công nhân

Xy lanh 2 chiềuGây ra ồn ào thấpKhông gỉ sétKhông che khuất tầm nhìnNâng được tải trọng 500kgVận chuyển nhanh

Dễ sử dụng

Dễ bảo trì sửa chữa

An toàn, đảm bảo chất lượng

Xy lanh có hình dáng đẹp và cứng cápTuổi thọ cao, dễ thay thế phụ kiệnGiá thành hợp túi tiền

Đối với kỹ sư

Xy lanh thiết kế không được rỉ dầu

Lắp ráp vào máy dễ dàng và chắc chắn

Xy lanh chống chịu được sự khắc nghiệt của môi trường làm việc như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, cường độ làm việc

Cường độ làm việc của xy lanhSự đồng bộ của xy lanh với các chi tiết khácĐường kính xy lanh phù hợp với trọng lượng vật nâng

II) Yêu cầu kỹ thuật

3) Xác định tính năng quan trọng và các mối quan hệ

+ tinh an toàn liên quan tới vật liệu làm xylanhVận chuyển nhanh :liên quan tới công suất động cơ+tiếng ồn ít : liên quan tới cấu tạo,kết cấu

+ dễ dàng sử dụng :liên quan tới độ phức tạp của kết cấu,lực cần

vận hành+ dễ dàng lắp ráp bảo trì : liên quan tới các khớp nối,các ổ

+ tuổi thọ cao :liên quan tới độ bền ,độ maì mòn,nhiệt độ nơi làm

việc+giá thành :liên quan tới kiểu dáng xylanh,vật liệu 4) đánh giá mức cạnh tranh

Đánh giá theo các mức :

1 Thiết kế hoàn toàn không thỏa mãn nhu cầu

2 Thiết kế thỏa mãn chút ít nhu cầu

3 Thiết kế thõa mãn nhu cầu về mặt nào đó

4 Thiết kế hầu như thỏa mãn nhu cầu

5 Thiết kế hoàn toàn thỏa mãn nhu cầu

Các yêu cầu

khách hàng

Mức độ yêu cầu

Các sản phẩm trên thị trường Chỉ tiêu thiết kế

Sự đồng bộ của xylanh

Kết cấu nhỏ gọn, thẩm

Tuổi thọ cao, dễ thay

5) Biên dịch yêu cầu khách hàng thành các yêu cầu kỹ thuật (bảng dưới).6)Mối liên hệ giữa yêu cầu khách hàng và yêu cầu kỹ thuật

Đánh giá theo các mức:

9: có quan hệ chặc chẽ

3: Có mối quan hệ vừa phải

1: Có một chút quan hệ

Ô trống: không có quan hệ

Yêu cầu khách hàng Yêu cầu kỹ thuật Quan hệ

Dễ sử dụng Kết cấu xylanh 9

Năng suất cao

Tải trọng làm việc(500kg) 3

Dễ vận hànhSự đồng bộ của xylanh

khi ra và về

Kết cấu nhỏ gọn, thẩm

mĩ

Tuổi thọ cao, dễ thay

9

Kết cấu máy

Thời

gian làm

Việc

Kết

Cấu

Tự định

Vị

Vỏ m áy

Chi tiết thay

Thế

Giá thành

Hệ

số cải tiến

Kết cấu máy

Thời

gian làm

Việc

Kết

Cấu

Tự định

Vị

Vỏ m áy

Chi tiết thay

Thế

Giá thành

Hệ

số cải tiến

Xác định mối liên quan giữa các yêu cầu kỹ thuật

Bước 8: Thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật (bảng QFD)

Đánh giá theo mức độ:

1) Phân tích chức năng chung

Yêu cầu chung của thiết kế là làm sao để thay thế 2 xylanh nhỏ bằng

1 xylanh lớn

2) Mô tả kết cấu

Với máy xúc như ngoài thị trường ta thấy hầu như việc dùng 2

xylanh ở bộ phận điều kiển gâu là phổ biến nhưng nó chưa mang lại năng suât chưa cao và kết cấu thi cồng kềnh…vì vậy việc thiêt kế thay bằng 1 xylanh cở lớn sẽ mang lại kết cấu nhỏ gọn hơn va việc điều khiển dể dàng hơn nên có thể năng suât sẽ cao hơn

Xylanh hoạt động nhờ hệ thống bơm dầu bằng thủy lực,xylanh ra va

về bằng việc tác động vào 2 đầu của xylanh bằng ống dẫn dầu

Đánh giá ý tưởng

Sau khi phân tích để thoả mãn những nhu cầu của khách hàng và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật ( nhóm thiết kế quyết định cải tiến dùng một xylanh thủy lực đặt chính giữa tay máy thay cho xy lanh thủy lực hai bên điều khiển gầu múc )

Cải tiến dung một xy lanh thủy lực cỡ lớn đặt ở chính giữa thay thế cho hai xy lanh thủy lực đặt ở hai bên :

Các bộ phận cải tiến :

+ Gầu múc : cần xác định được

- Vật liệu làm gầu

- Thể tích gầu múc

- Chiều dài gầu

- Chiều sâu gầu

- Dự trù được lực lớn nhất tác dụng lên gầu khi làm việc

- Từ đó ta xác định được số gân cần gia công và chiều dày lớp thép làm gầu

để đảm được hệ số an toàn cho phép

+ Xy lanh thủy lực: cần xác định được

- Vật liệu

- Ống xy lanh thủy lực

- Cần xy lanh thủy lực

- Quả piston

+ Phần cổ xy lanh

- Áp suất làm việc lớn nhất

- Áp suất kiểm tra

- Áp suất lớn nhất mà ống chịu được

- Nhiệt độ sinh ra trong ống

+ Cơ cấu tay máy

- Vật liệu làm cơ cấu

- Thông số hình học của cơ cấu tay máy

- Chiều dài, bề rộng ,bề dày

- Các kết cấu khác gắn nên cơ cấu tay máy

 Kiểm nghiệm các tiêu chuẩn có phù hợp với yêu cầu của khách hàng và những yêu cầu kỹ thuật đề ra

 So sánh ưu và nhược điỂm của sản phẩm sau khi cải tiến so với những sản phẩm khác trên thị trường

Một số hình ảnh của máy xuc lật ngoài thị trường dùng 2 xylanh thủy lực

Sơ đồ điều khiển gầu múc

IV) Tính Toán Thiết Kế – Chế Tạo Xi Lanh Thuỷ Lực

Để tính toán các thông số của xy lanh, trước tiên chúng ta phải biết các thông tin

“đầu vào” như sau:

1- Lực tác động lên cán (hoặc vỏ) xy lanh – tính bằng kgs, tấn, N…: Xy lanh sẽ phải được cung cấp dầu có áp suất để thắng lại được lực này

2- Khoảng hành trình làm việc của xy lanh (quãng đường di chuyển = S): m hoặc cm

3- Thời gian để xy lanh đi hết hành trình này – t: giây (s)

4- Ngành ứng dụng, sử dụng: để lựa chọn áp suất làm việc và loại kết cấu xy lanh

Khi đã có câu trả lời cho các câu hỏi ở trên rồi, ta cóthể tính được các thông số làm việc và lựa chọn xy lanh

a- Lựa chọn áp suất làm việc MAX của xy lanh.

Giá trị này được xem xét lựa chọn ở hai mặt:

- Nếu đã có sẵn hệ thống bơm thủy lực thì giá trị này là giá trị max mà hệ thống bơm có thể cung cấp được và

- Nếu chưa có hệ thống bơm cấp thủy lực (có nghĩa là chúng ta phải lựa chọn hệthống bơm thủy lực này dựa trên yêu cầu của xy lanh đang chọn) thì phải lựa

suất càng cao thì xy lanh càng nhỏ, gọn (về đường kính) và ngước lại Tuy nhiên, áp suất cao cũng đồng nghĩa với hệ thống nguồn cấp và điều khiển phải làm việc ở chế độ cao áp và chi phí sẽ càng đắt Do đó, tùy thuộc vào các ứng dụng – tính chất công việc khác nhau, người ta sẽ quyết định mức áp suất sử dụng khác nhau Thông thường trong công nghiệp có hai dải áp suất chính là: đến 200 bar và từ 250 – 400 bar.

Sau khi đã biết/chọn được áp suất MAX của hệ thống, sẽ tính toán đến đường kính làm việc của xy lanh

b-Xácđịnh đường kính làm việc của xy lanh thủy lực

Đường kính xy lanh bao gồm hai thông số:

- D: Đường kính lòng xy lanh

- d: Đường kính cán xy lanh

Một cách chung nhất, các đường kính này được tính toán dựa trên Diện tích làmviệc (A) của xy lanh dưới tác dụng của áp suất dầu thủy lực (p) để thắng lại lựccản lên nó (F)

A (cm2) = F (kg) / [p (kg/cm2) * 0.95] trong đó hiệu suất chuyển đổi cơ khí ->

thủy lực = 0.95

Các thông số theo hình vẽ trên:

Ak: Diện tích làm việc phía đuôi xy lanh

Fz: Lực đẩy tác dụng lên cán xy lanh

Ar: Diện tích làm việc phía cần xy lanh

Fd: Lực kéo tác dụng lên cán xy lanh

Nếu cấp vào hai phía xy lanh với cùng một áp suất p thì:

Ak = Fz / [0.95*p] và

Ar = Fd / [0.95*p]

Từ đây sẽ tính được đường kính làm việc của xy lanh: (SQRT là khai căn bậc 2

D = SQRT(4*Ak/3.14) và

d = SQRT(D*D – 4*Ar/3.14)

Các yếu tố tác động đến lực cản F bao gồm các yếu tố sau:

- Lực cản lại (kéo/đẩy) của riêng tải tác động lên cán xy lanh Ví dụ như lực kéocủa tải xuống dưới hoặc lực ma sát của tải trọng khi cán xy lanh đẩy nó…)

- Lực cản lại của bản thân áp lực dầu có sẵn ở khoang xy lanh phía đối diện Trong rất nhiều trường hợp sẽ có một áp suất tồn tại trong khoang đối diện khi dầu bị nén, chảy qua lỗ hẹp hoặc tổn hao áp suất qua các valve an toàn, valve phân phối, đường ống, lọc dầu, bộ làm mát… Áp suất này cũng gây ra một lực cản tính trên diện tích hiệu dụng ở trong xy lanh

- Bản thân ma sát của xy lanh ở các phần quả piston, cần xy lanh với cổ xy lanh

c- Tính vận tốc và Lưu lượng cần cấp vào xy lanh

Vận tốc của cần xy lanh thò/thụt v (m/s) = S (m) / t (s)

Theo nghiên cứu trong phần lớn trường hợp, vận tốc của cán xy lanh không nên vượt quá v = 0.5 m/s vì lý do làm kín của phần gioăng phớt và đảm bảo an toàn làm việc

Lưu lượng Q cần cấp vào xy lanh để xy lanh đi hết hành trình trong thời gian yêu cầu

Q (l/phút) = A * v * 6 / 0.95 trong đó hiệu suất lưu lượng của xy lanh = 0.95

Lưu ý là lưu lượng cần cấp vào phía cán xy lanh Qr sẽ nhỏ hơn lưu lượng cấp vào phía đầu xy lanh Qk

d- Tính toán chiều dài chịu uốn của cần xy lanh

Kết cấu của xy lanh thủy lực có khả năng chịu kéo/nén đúng tâm rất tốt nhưng khả năng chịu uốn của cán/vỏ xy lanh rất kém, nhất là khi xy lanh đã duỗi ra Chính vì vậy phải tính toán chiều dài chịu uốn lớn nhất (Lm) của xy lanh để quyết định kiểu lắp ghép của xy lanh

Để xác định, cần dựa vào các thông số tính toán về đường kính cán d và áp suất làm việc ở trên và tra trên biểu đồ sau để xác định được lực lớn nhất trên cán xy lanh và giá trị Lm