Mô phỏng, tính toán máy ép thủy lực 400 tấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Để đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiết kiệm ngoại tệ trong việc nhập khẩu thiết bị, máy móc thì việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị gia công áp lực trong n-ớc là việc cần thiết.. Đề tài n

đại học quốc giahà nội

tr-ờng đại học công nghệ

viện khoa học và công nghệ việt

nam

viện cơ học

phan thành thiết

Mô phỏng, tính toán máy ép thủy lực 400 tấn

bằng ph-ơng pháp phần tử hữu hạn

Chuyên ngành: Cơ học Vật thể rắn Mã số: 60 44 21

luận văn thạc sĩ

Mở đầu

Đất n-ớc ta hiện nay đang trên con đ-ờng công nghiệp hoá, hiện đại hoá Hoà cùng quá trình đó là sự phát triển tất yếu của ngành cơ khí Trong đó, gia công áp lực cũng đang từng b-ớc đổi mới và đạt đ-ợc nhiều thành tựu quan trọng Ngày nay, có rất nhiều sản phẩm cơ khí đ-ợc gia công bằng ph-ơng pháp này Để đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiết kiệm ngoại tệ trong việc nhập khẩu thiết bị, máy móc thì việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị gia công áp lực trong n-ớc là việc cần thiết

Đề tài nêu toàn bộ quá trình tính toán thiết kế máy ép thủy lực 400 tấn, dùng trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực Các nội dung nghiên cứu, tính toán, thiết kế bao gồm:

 Hệ thống thủy lực

 Hệ thống điều khiển

 Khung kết cấu của máy ép

Qua đó đánh giá, phân tích, so sánh kết quả tính toán với số liệu thực tế nhằm nêu rõ sự lợi ích của việc ứng dụng tính toán trong thiết kế chế tạo máy

ép thuỷ lực cũng nh- các loại máy khác

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ của Tr-ờng

Đại học Công nghệ, đặc biệt là GS TSKH Đỗ Sanh đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập tại tr-ờng và thực hiện tốt luận văn này

Ch-ơng I:

Tổng quan về máy ép thủy lực

Các loại máy ép thủy lực

Đặc điểm nổi bật của máy ép thủy lực là khi gia công trên những tấm phôi mỏng, do lực ép tĩnh nên nó đảm bảo cho phôi ép không bị đứt ngay cả khi lực tác dụng lớn

Thông số chính của máy ép thủy lực là lực ép định mức PH từ các xilanh công tác của máy ép

Theo chức năng công nghệ thì máy ép thủy lực đ-ợc chia ra máy ép vật

liệu kim loại và máy ép vật liệu phi kim

Máy ép vật liệu kim loại

+ Để rèn dập

Máy ép để rèn-rèn tự do có dập trong khuôn, PH=520MN;

Máy ép để dập-dập nống các chi tiết Magiê và hợp kim nhôm,

PH=10700MN;

Máy ép đột-để đột nóng các phôi trong cối kín,PH=1,530MN;

Máy ép để chuốt kéo - chuốt kéo các phôi rèn qua các vòng,PH=0,7515MN

+ Để ép chảy

Máy ép thanh-ống,dùng để ép kim loại màu và thép, PH=0,4120MN

+ Để dập tấm

Máy ép dập tấm kiểu tác dụng đơn giản, PH=0,510MN; Máy ép vuốt để vuốt sâu các chi tiết hình trụ, PH=0,34MN;Máy ép để gấp mép, tạo mặt bích,

để uốn và dập các loại tấm dày,PH=345MN; Máy ép để lốc, để uốn vật liệu dày và nóng, PH=3200MN

+ Để thực hiện công việc lắp ráp

+ Để xử lý các phế liệu kim loại

Máy ép đóng gói và đóng bánh,đ-ợc dùng để ép các phế liệu nh- phoi kim loại, PH=16MN

Máy ép vật liệu phi kim loại

Gồm có máy ép cho các loại bột, chất dẻo và để ép các tấm phôi gỗ,gỗ

dán

Nguyên lý hoạt động chung

Máy ép thủy lực hoạt động hầu nh- theo tác dụng tĩnh (hình 1.1) Nguyên

lý hoạt động của máy ép thủy lực dựa trên cơ sở của định luật Pascal ở dạng chung nhất thì máy ép gồm có 2 khoang: xilanh có piston và các đ-ờng ống nối

P1

p p

2

2

3

f f

1

2

Hình 1.1: Nguyên lý họat động của máy ép thủy lực

Nếu nh- đặt lực P1 vào piston 1 thì nó sẽ tạo ra áp suất p=P1/f1.Theo định luật Pascal thì áp suất p đ-ợc truyền tới tất cả các điểm của thể tích chất lỏng

và do có h-ớng tác dụng vuông góc với mặt đáy của piston 2,nó sé tạo ra lực

P2=p.f2 tác dụng lên phôi 3

Trên cơ sở định luật Pascal ta có:

1

2 1

2

f

f P

P 

Diện tích f2 lớn hơn diện tích f1 bao nhiêu lần thì lực P2 sẽ lớn hơn lực P1

bấy nhiêu lần

Các bộ phận chính của máy ép thủy lực

Khung máy và đồ gá

Khung và đồ gá máy ép thủy lực là kết cấu đ-ợc tính toán, thiết kế và chế tạo từ kim loại(th-ờng là thép) đảm bảo đủ độ bền, độ biến dạng và tuổi thọ cần thiết để chịu đ-ợc tải trọng làm việc yêu cầu Tuỳ thuộc vào tính chất, nhiệm vụ công việc mà khung và đồ gá có kết cấu, hình dáng, kích th-ớc khác nhau

Hệ thống th ủy lực

Hệ thống thủy lực bao gồm có dầu thủy lực, các bơm, các xilanh và các van kết hợp với nhau để điều khiển hoạt động của máy theo yêu cầu công nghệ cụ thể

Hệ thống điều khiển

Thực hiện việc đóng mở các bơm, thay đổi trạng thái của các van Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà sử dụng các hệ điều khiển dạng mạch logic cứng hay điều khiển theo ch-ơng trình PLC, thông th-ờng hệ thống điều khiển bao

gồm: công tắc hành trình, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến báo mức dầu, rơle trung gian, khởi động từ

Máy ép thủy lực trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực

chịu áp suất cao

Để gia công chế tạo các bồn chứa thể tích lớn, chịu áp suất cao (hình 1.2) cần có các công đoạn sau:

+ Phần thân trụ: đ-ợc chế tạo trên máy lốc tôn

+ Phần chỏm cầu (hình 1.3): đ-ợc ép tạo hình sơ bộ trên máy ép thủy lực sau đó gia công tinh trên máy vê chỏm cầu (hình 1.4)

+ Ghép nối phần thân trụ và chỏm cầu, chế tạo các chi tiết phụ nh- nắp, van xả, chân sơn và có thể phải bọc bảo ôn hay cách nhiệt

Hình 1.2: Bồn chứa CO2 lỏng

H×nh 1.3: PhÇn chám cÇu

H×nh 1.4: M¸y vª chám cÇu

Yêu cầu công nghệ đối với máy ép thủy lực

Với yêu cầu chế tạo các bồn chứa có đ-ờng kính tối đa 6m thì các yêu cầu

đối với máy ép thủy lực này là:

Không gian làm việc cần thiết của máy ép là: dài x cao = 6,8m x 2m để công nhân có thể đứng thoải mái khi thao tác trong lòng máy ép,

Lực ép tối đa 400 tấn (kết quả từ bài tính lực ép khi gia công chỏm cầu) Vận tốc của piston khi chạy không (đi xuống, áp suất thấp): 2m/phút Vận tốc của piston khi ép (áp suất cao): 0.5m/phút

Phần sau của luận văn trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế máy

ép này

Ch-ơng II

Hệ thống thủy lực

2.1 Một số tính chất cơ bản của chất lỏng

2.1.1 Tính liên tục

Đối với các máy thủy lực thông th-ờng thì chất lỏng đ-ợc coi nh- một môi tr-ờng liên tục, đồng nhất, đẳng h-ớng Các yếu tố thủy lực nh- vận tốc, áp suất là hàm số liên tục và đạo hàm cũng liên tục Lực liên kết giữa các phần

tử chất lỏng rất nhỏ nên chất lỏng có tính di động cao, tích chống lực kéo và lực cắt rất yếu Nh-ng chất lỏng có tính chống nén rất lớn

2.1.2 Chất lỏng có khối l-ợng và trọng l-ợng

Chất lỏng có khối l-ợng, gọi thể tích chất lỏng là V(m3), khối l-ợng là M(Kg) thì tỷ số:

) / (Kg m3 V

M



 (2.1)

đ-ợc gọi là khối l-ợng riêng hoặc khối l-ợng đơn vị của chất lỏng hay mật

độ của chất lỏng

Trọng l-ợng riêng của chất lỏng ký hiêu là :

) / (N m3 g



  (2.2)

ở đây g là gia tốc trọng tr-ờng g=9.81 m/s2 10 m/s2

Tỷ trọng của chất lỏng, ký hiệu , là tỷ số giữa trọng l-ợng riêng của chất lỏng và trọng l-ợng riêng của n-ớc ở 4oC:

20

H

cl





  (2.3)

2.1.3 Tính nén của chất lỏng

Khi áp suất tác động lên chất lỏng thay đổi thì làm cho thể tích chất lỏng thay đổi theo Đó là tính nén đ-ợc của chất lỏng, nó đ-ợc đặc tr-ng bởi hệ số nén :

) / (

N m dp

dV V





 (2.4)

Trong đó: V(m3): Thể tích của chất lỏng

p(N/m2): áp suất của chất lỏng

Lấy dấu trừ (-) để cho >0 vì  0

dp dV

Số nghịch đảo của :

) / (

m N E



 (2.5)

gọi là mô đun đàn hồi thể tích

Vì sự thay đổi thể tích theo áp suất của chất lỏng là rất bé nên trong thủy lực học ng-ời ta coi chất lỏng là không nén đ-ợc, trừ một số tr-ờng hợp đặc biệt

2.1.4 Tính nhớt của chất lỏng

2.1.4.1 Giả thiết Niutơn

Khi có chuyển động t-ơng đối giữa các lớp chất lỏng với nhau thì sinh ra lực nhớt, ứng suất tiếp của nó tỷ lệ với đạo hàm của vận tốc theo ph-ơng thẳng góc với h-ớng dòng chảy, tức là:

dn

du



   (2.6) Trong đó hệ số tỷ lệ  đặc tr-ng cho tính nhớt đ-ợc gọi là hệ số nhớt động lực hoặc độ nhớt động lực, đơn vị đo là: Ns/m2

dn

du

: Gradien vận tốc theo ph-ơng n thẳng góc với h-ớng dòng chảy

Kết luận

Luận văn đã trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế máy ép thủy lực

400 tấn dùng trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực Các công việc đã thực hiện bao gồm:

Hệ thống điều khiển: Trình bày khái quát các nhiệm vụ và yêu cầu đối với

một hệ thống điều khiển, thiết kế hệ thống điều khiển phù hợp với yêu cầu công nghệ và tiện lợi đối với ng-ời sử dụng

Hệ thống thủy lực: Trình bày khái quát các thông số cơ bản, nhiệm vụ và

yêu cầu đối với các máy thủy lực Thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép phù hợp với yêu cầu công nghệ Tuy nhiên, áp suất làm việc của hệ thống rất cao,

điều này cần phải chú ý khi lựa chọn các thiết bị cũng nh- khi lắp đặt hệ thống thủy lực

Khung máy ép: Trình bày khái quát về ph-ơng pháp PTHH, các thông số

cơ bản của phần tử tứ diện bốn nút Sử dụng phần mềm CosmosDesignStar4.0

để tính toán, thiết kế khung máy ép Sau nhiều lần hiệu chỉnh, đã hoàn thành việc thiết kế khung với hình dáng đơn giản, trọng l-ợng nhỏ đảm bảo tiết kiệm chi phí vật t- và thời gian chế tạo

Hiện tại, máy ép thủy lực này đã đ-ợc lắp đặt và đi vào hoạt động tại Công

ty Thiết bị áp lực Than Nội địa, góp phần nâng cao hiệu quả làm việc, giải phóng ng-ời lao động khỏi các công việc nặng nhọc tr-ớc đây

Danh mục tài liệu tham khảo

[1] TS Phùng văn Kh-ơng, ThS Phạm Văn Vĩnh (2001) Thủy lực và máy

ép thủy lực Tr-ờng Đại học giao thông vận tải Hà Nội

[2] Phạm Văn Nghệ, Đỗ Văn Phúc (2005) Máy búa và Máy ép thủy lực

NXB Giáo Dục

[3] Phạm Công Ngô (2001) Lý thuyết điều khiển tự động NXB Khoa học

và Kỹ thuật

[4] Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2003) Ph-ơng pháp phần tử hữu

hạn lý thuyết và lập trình NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội

Phô lôc 1:

B¶n vÏ khung m¸y Ðp

Phô lôc 2:

B¶n vÏ quy tr×nh chÕ t¹o

khung m¸y Ðp

Phô lôc 3:

B¶n vÏ mãng m¸y Ðp