đồ án máy thủy khí máy múc

Bơm 5a cung cấp dòng dầu làm việc có áp suất cao cho piston thủy lực 14 để nâng hạ cần lồng, bơm 5b cung cấp dòng dầu làm việc cho động cơ thủy lực quay toa 19 và động cơ thủy lực kéo tờ

LỜI MỞ ĐẦU

MỤC LỤC 1

1 TỔNG QUAN VỀ MÁY MẪU: HITACH SCX300 2

1.1 Giới thiệu chung về cần trục bánh xích 2

1.2 Các thông số thiết kế 2

2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 4

2.1 Sơ đồ hệ thống truyền lực 4

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 5

3 KHẢO SÁT BỘ CHIA LƯU LƯỢNG KIỂU VAN CON TRƯỢT 8

3.1 Sơ đồ kết cấu 8

3.2 Nguyên lý làm việc 8

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 10

4.1.Tính toán thiết kế xilanh nân hạ cần trục 10

4.2 Tính toán sơ bộ cho động cơ kéo tời 15

4.3 Tính chọn động cơ thủy lực 16

4.3.1 Lực và momen tác dụng lên động cơ thủy lực 17

4.3.2 Các thông số làm việc cơ bản của động cơ thủy lực 19

4.4 Tính chọn bơm 21

4.4.1 Tính toán ống dẫn 22

4.4.2 Các thông số làm việc cơ bản của bơm 25

5 CÁC PHẦN TỬ THỦY LỰC TRONG HỆ THỐNG 27

5.1 Thùng chưa dầu 27

5.2 Bộ lọc dầu 28

5.3 Van an toàn - tràn 28

5.4 Van phân phối 4/3 điều khiển bằng điện 29

5.5 Van tác dụng khóa lẫn 29

5.6 Van một chiều kiểu bi 30

5.7 Bộ ổn định vận tốc 30

5.8 Bình tích năng 31

6 ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA THIẾT KẾ 32

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

8 PHỤ LỤC

1 TỔNG QUAN VỀ MÁY MẪU: HITACHI SCX300

1.1 Giới thiệu chung về cần trục bánh xích:

Cần trục bánh xích gồm những bộ phận sau:

Cơ cấu nâng: Giúp cần lồng có thể nâng hạ hàng theo phương thẳng đứng

Cơ cấu thay đổi tầm với: Để lấy hàng ở vị trí xa hoặc gần theo phương nằm ngang

Cơ cấu quay: Để có thể đưa hàng tới những vị trí có cùng vị trí tầm với nhưng ở các phương khác nhau

Cơ cấu di chuyển: Giúp xe có thể di chuyển theo vị trí làm việc

Hệ thống điều khiển: Bao gồm người điều khiển cho tới các hệ thống tác dụng lên cơ cấu

Động Cơ

Hãng sản xuất HITACHI SUMITOMO

Momen xoắn cực đại 530 Nm

Cơ cấu quay Tốc độ quay 4 Vòng/phút

Bộ di chuyển

Tốc độ di chuyển 1.8 km/hKhả năng leo dốc 21.8 Độ

Áp suất tác dụng lên đất 0.55 kN/m2Chiều dài dải xích 4490 mmChiều rộng dải xích 3300 mmChiều rộng guốc xích 760 mm

Chiều dài lớn nhất 34000 mm

2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

2.1 Sơ đồ mạch thủy lực thiết kế

1 4a

2a 5a

6 7a

8a

9

10 11a

12a

12b

4b 5b

hạ cần lồng 15- Cặp piston, xilanh điều khiển cơ cấu 17 bằng lực của người điều khiển 16- Bình tích năng 17- Cặp piston, xilanh mở phanh cho động cơ thủy lực 18- Động cơ thủy lực kéo tời kiểu piston roto hướng trục 19- Động cơ thủy lực quay toa kiểu piston roto hướng trục

Động cơ quay sẽ dẫn động bơm quay theo Bơm 5a cung cấp dòng dầu làm việc có

áp suất cao cho piston thủy lực 14 để nâng hạ cần lồng, bơm 5b cung cấp dòng dầu làm việc cho động cơ thủy lực quay toa 19 và động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng 18 Van an toàn kiểu tràn 9,23 luôn luôn có chất lỏng qua van để duy trì áp suất trong hệ thống luôn ở giá trị không đổi Các bộ ổn định vận tốc được đặt ở cửa ra nhằm đảm bảo vận tốc của piston nâng hạ cần lồng, các động cơ thủy lực luôn được ổn định

Điều khiển động cơ thủy lực nâng hạ hàng:

2b

4b 23

Hình 2.2 Sơ đồ điểu khiển động cơ thủy lực nâng hạ hàng.

+ Động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng 18 được điều khiển nhờ van phân phối 20, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 15a để điều khiển cơ cấu phanh 17a cho động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng hoạt động

+ Hạ hàng: được thực hiện khi con trượt của cơ cấu phân phối 20 ở vị trí I và mở cơ cấu phanh 17a nhờ tác động của người lái Dầu được đẩy từ bơm 5b đến vị trí I của cơ cấu phân phối qua van tác dụng khóa lẫn 11b, qua động cơ thủy lực kéo tời 18, rồi từ động cơ thủy lực kéo tời về van tác dụng khóa lẫn, qua cơ cấu phân phối, qua bộ ổn định vận tốc

22, qua bộ làm mát dầu 3 rồi trở về thùng chứa dầu 1

+ Nâng hàng: Khi con trượt của cơ cấu phân phối ở vị trí III, hành trình ngược lại so với vị trí I

+ Khi con trượt của cơ cấu phân phối ở vị trí II động cơ thủy lực kéo tời không làm việc, dầu từ bơm 5b sẽ qua van tràn 23 và trở về thùng chứa dầu

+ Van tác dụng khóa lẫn 11b được bố trí để khắc phục sự tụt hàng van phân phối ở vị trí III.

Điều khiển piston 14 nâng hạ cần lồng như sau:

M

4a

2a 5a

Hình 2.3 Sơ đồ điểu khiển nâng hạ cần lồng

+ Thực hiện hạ cần lồng: đẩy con trượt của van phân phối 10 sang vị trí I: dầu từ bơm5a theo đường ống đến vị trí I của van phân phối, qua van tác dụng khóa lẫn 11a, qua van chia dạng con trượt 13a đến khoang dưới của xilanh 14 Dầu từ khoang trên của xilanh 14 được đẩy qua van một chiều 12b, qua van tác dụng khóa lẫn 11a đến van phân phối 10 qua

bộ ổn định vận tốc 6, qua bộ làm mát dầu 3 rồi trở về thùng chứa dầu

+ Đẩy con trượt sang vị trí III: Thực hiện hành trình ngược lại so với vị trí I Lúc này cặp piston xilanh thực hiện nâng cần lồng

+ Đẩy con trượt ở vị trí II: Piston xilanh nâng hạ cần lồng không làm việc Dầu từ bơm 5a qua van tràn 9 trở về thùng chứa

+ Bộ chia lưu lượng kiểu van con trượt 13 được bố trí trên các đường ống của các xilanh nâng hạ cần có tác dụng chia lượng dầu đến hai xilanh song hành, để hai xilanh cùng làm việc đồng thời, tránh hai xilanh làm việc không đều khi tải trọng đặt lên hai xilanh khác nhau

+ Van tác dụng khóa lẫn 11a được bố trí để khắc phục sự tụt hàng van phân phối ở vị trí III

Điều khiển động cơ thủy lực cơ cấu quay toa 19 như sau:

M 3 5b

15b

19

21 11c

2b

4b 23

Hình 2.4 Sơ đồ điểu khiển động cơ thủy lực cơ cấu quay toa.

+ Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu quay toa 19 được điều khiển nhờ van phân phối 21, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 15b để điều khiển cơ cấu phanh 17b cho động cơ thủy lực quay toa hoạt động

+ Quay toa theo chiều cùng chiều kim đồng hồ: được thực hiện khi con trượt của cơ cấu phân phối 21 ở vị trí I và mở cơ cấu phanh 17b nhờ tác động của người lái Dầu được đẩy từ bơm 5b đến vị trí I của cơ cấu phân phối qua van tác dụng khóa lẫn 11c, qua động

cơ thủy lực quay toa 19, rồi từ động cơ thủy lực quay toa về van tác dụng khóa lẫn 11c, qua cơ cấu phân phối 21, qua bộ ổn định vận tốc 22, qua bộ làm mát dầu 3 rồi trở về thùng chứa dầu 1

+ Quay toa theo chiều ngược lại: Khi con trượt của cơ cấu phân phối 21 ở vị trí III, hành trình ngược lại so với vị trí I

+ Khi con trượt của cơ cấu phân phối 21 ở vị trí II động cơ thủy lực quay toa không làm việc Dầu từ bơm 5b qua van tràn 23 trở về thùng chứa

3 KHẢO SÁT BỘ CHIA LƯU LƯỢNG KIỂU VAN CON TRƯỢT (CHI TIẾT THẦY GIAO)

3.1 Sơ đồ kết cấu

Hình 3.1 Kết cấu bộ chia lưu lượng kiểu van con trượt

1- Vỏ bộ chia lưu lượng 2- Van chia lưu lượng 3- Lò xo 4- Lỗ thông với đường dầu tới xylanh lực 5- Lỗ tiết lưu cố định 6- Lỗ thông với đường dầu từ bơm 7- Vỏ van chia lưu lượng

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

4.1 Tính toán thiết kế xilanh nâng hạ cần trục

Theo máy mẫu thì bán kính làm việc của cần trục là (R =), ta xét chế độ làm việc ổn định của cần trục khi cần trục làm việc ở bán kính là (R = Để tính các thông số cần thiết cho piston, ta xét trường hợp hạ cần trục khi cần trục đang làm việc ở góc = 54,40

Trong đó: O - Tâm quay của cần trục

F - Tải trọng nâng cho trước F = 20 tấn

Từ phương trình (1) ta suy ra F2:

(3)Thay phương trình (3) vào phương trình (2) ta được:

p1 - Áp suất dầu ở buồng công tác

p2 - Áp suất dầu buồng mang cần piston

A1 - Diện tích piston buồng công tác,

A2 - Diện tích piston buồng mang cần ,

Ft - Tải trọng công tác , Ft = F2 = 4638671 N

Fmsp - Lực ma sát giữa piston và xilanh

Fmsc - Lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít

Fqt - lực quán tính

G - Tải trọng của piston, chọn G = 10000 N

Lực ma sát giữa piston xilanh ( lực ma sát ở đây là ma sát ướt do có màng dầu làm việc bôi trơn )

0,15: Hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn

f - Hệ số ma sát ướt giữa cần và vòng chắn, phụ thuộc cặp vật liệu cần piston là thép và vòng chắn bằng gang, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu chọn f = 0,1

m - Khối lượng cụm chuyển động liên quan đến piston

a - Gia tốc chuyển động của cụm piston chuyển động tịnh tiến

Vì vận tốc khi nâng hạ cần là ổn định ( có thể thay đổi nhưng rất nhỏ ), vậy nên gia tốc a sẽ có giá trị vô cùng nhỏ Do đó Fqt sẽ có giá trị rất nhỏ, để đơn giản trong quá trình tính toán ta bỏ qua Fqt.Thay các giá trị vào phương trình:

Kết luận: Vì phải thỏa mãn điều kiện nâng cần nên chọn

Dp = 44 cm , d = 30 cm Theo tiêu chuẩn chọn Dp = 45 cm, d = 320 cm

22 21

Hình 4.2 Sơ đồ kết cấu xilanh thủy lực

1- Bạc 2- Tai của cần bẩy 3- Thiết bị khử bẩn 4,5,8,13- Vòng bích 6- Vòng phớt của cần đẩy.7,12- Vòng giữ phốt 9- Nắp trước.10- Đai ốc hãm.11- Cơ cấu giảm chấn 14- Vòng phớt piston 15- Piston 16- Đai ốc piston 17- Chốt hãm 18- Cần đẩy 19- Xilanh có nắp sau 20- Mép biên nắp 21- Bạc nắp trước 22- Đai ốc của thiết bị khử bẩn

Hình 4.3 Hình ảnh thực tế của xilanh lực.

4.2 Tính toán sơ bộ cho động cơ kéo tời

Tốc độ nâng của máy mẫu là: V = 70 m/ph = 1,2 m/s

Để kéo hàng lên độ cao H = 13.5 m, thì phải mất chiều dài ( l ) cáp nâng.

Vì dùng hệ ròng rọc kép để nâng hàng nên sẽ giảm được hai lần tải trọng ngoài tác dụng nhưng lại thiệt về hai lần đường đi kéo vật

l = 2.H = 2.13,5 = 27 m

Để kéo hàng lên độ cao H phải mất một thời gian t:

Số vòng quay của tang tời khi kéo hàng lên độ cao H là:

Rt là bán kính tang tời kéo cáp nâng hạ hàng, lấy tăng thêm 25% do đường kính của cáp tời kéo nên bán kính tang tời sẽ gia tăng bán kính trong quá trình kéo

Lấy: Rt = 0,2 m; tăng 25% nữa, do đó Rt = 0,2 + 0,2.25% = 0,25

vòngSuy ra số vòng quay của động cơ nâng hạ hàng:

điểm sau:

Áp suất làm việc không phụ thuộc vào lưu lượng và số vòng quay

Dễ dàng điều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vòng quay không đổi

Hiệu suất cao (tổn thất do cơ khí nhỏ, tổn thất rò rỉ ít)  = 0,97 – 0,98

Việc đưa chất lỏng vào ra khỏi xylanh thực hiện thông qua đĩa phân phối

4.3.1 Lực và momen tác dụng lên động cơ thủy lực:

Xét động cơ đang thực hiện quá trình kéo hạ hàng thì tải trọng tác dụng lên trục động

cơ một lực và momen tương ứng, trong động cơ áp suất chất lỏng tác dụng lên piston làm đầu piston tỳ vào đĩa nghiêng sinh ra momen làm roto quay

Gọi F là áp lực chất lỏng tác dụng lên piston:

trong đó: p là áp suất dầu trong xilanh bơm piston

D là đường kính xilanh bơm piston roto

QA0x

x

y

FNF

TAQn

Q

y

yRx

Áp lực chất lỏng F thông qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực

N và Q theo các phương như hình đã vẽ

N = F.cos : Thẳng góc với mặt phẳng đĩa

Q = F.sin : Nằm trong mặt phẳng đĩa và song song với trục xLực Q trong mặt phẳng đĩa nghiêng được phân thành lực vòng T và một lực hướng tâm Qn Lực vòng T này sẽ tạo nên momen quay trên trục động cơ kéo tời

T = Q.sin

Qn = Q.cosMomen do lực T tạo ra trên trục ( tính cho một piston )

M = T.Rx = Q.sin.Rx = Rx.F.sin.sinTrong đó: Rx - Bán kính của mặt trụ phân bố các trục xilanh.

- Tổng của momen do các piston ở trong khu vực có áp suất tác dụng gây ra:

: là góc giữa hai piston kề nhau

Ta có thể nhận thấy rằng khi Q = Qmax thì M = Mmax và khi Q = Qmin thì M = Mmin tức

là momen thay đổi phụ thuộc góc nên có thể điều chỉnh momen quay của động cơ thủy lực bằng cách thay đổi góc nghiêng của đĩa mà không cần thay đổi áp suất làm việc của chất lỏng

Trong động cơ thiết kế này thì tổng momen được xác định như sau:

Mdctl - Momen động cơ thủy lựcMomen động cơ thủy lực bao gồm (Ma, Mn, Mms)

Momen do lực quán tính:

Trong đó:

- Gia tốc góc của trục động cơ, rad/s2

Vì trong quá trình nâng hàng vận tốc góc của động cơ dầu thay đổi rất nhỏ nên sẽ rấtnhỏ do đó Ma sẽ rất nhỏ, để đơn giản quá trình tính toán ta bỏ qua Ma

Do ma sát giữa xilanh và piston trong động cơ piston roto hướng trục là ma sát ướt nên momen ma sát ướt Mms thường bằng 10% Mdctl

Hiệu suất của bơm và động cơ thủy lực như nhau

Momen quay lý thuyết của động cơ thủy lực là:

Ntl = p.Qdc = 14.106.9,63.10-3= 134820 W = 135 kWCông suất trên động cơ thủy lực là:

- Các kích thước cơ bản của động cơ thủy lực:

+ Chọn số piston:

Số piston của máy piston roto hướng trục thường chọn từ 7 đến 11 Với động cơ

Lưu lượng riêng

z - Số xilanh của động cơ thủy lực, chọn z = 11 nên m = 4,5

- Góc nghiêng của đĩa, ta lấy max = 300 ( đối với động cơ thủy lực )

Sở dĩ phải hạn chế góc không quá lớn vì tăng góc hành trình của các piston sẽ tăng, nhưng lực tác dụng lên các chi tiết cũng tăng ảnh hưởng đến độ bền các chi tiết

7 8

Sơ đồ tính toán các kích thước của động cơ thủy lực1- Đĩa nghiêng 2- Stato 3- Lò xo 4- Nắp cố định 5- Các rãnh vòng cung

6- Gờ ngăn cách giữa hai rãnh vòng cung 7- Piston 8- Rôto

Đường kính d được xác định, lấy tròn theo tiêu chuẩn, sau đó xác định các kích thướccủa bơm

Tổng momen gây ra trên trục máy là tổng của momen do các piston ở trong khu vực

có áp suất tác dụng gây ra

Trong động cơ thiết kế này thì tổng momen được xác định như sau:

= Mb

m - Số xilanh của bơm thủy lực

Vì trong hệ thống ta cần thiết kế nên ta chọn bơm piston roto hướng trục có thể tạo ra

p - Tổn thất áp suất trên đường ống nén, đây là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành (động cơ dầu và xilanh truyền lực)

Giả sử dòng chất lỏng chảy trong ống là ổn định thì tổn thất gây ra trong hệ thống thủy lực gồm có hai loại: tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ

Để tính tổn thất áp suất trong quá trình làm việc đầu tiên ta cần xác định đường kính ống và trạng thái dòng chảy ở từng đoạn ống

4.4.1 Tính toán ống dẫn:

Ta phải dựa vào các thông số về đặc tính của bơm và các đặc điểm thủy lực đường ống Ống dẫn phải là loại đường ống được dùng trong điều khiển thủy lực là phổ biến, có thể chịu được va đập và nhiệt độ cao thường được làm bằng đồng, thép, vải cao su Để giảm tổn thất thủy lực ta cần thiết kế đường ống có chiều dài ngắn nhất có thể, ít bị uốn, ít

bị gấp khúc và ít bị giảm tiết diện

Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực là p = 14 MPa, ta chọn dầu công nghiệp 50 có

độ nhớt động học v = 58.10-6 m2/s, khối lượng riêng = 930 kg/m3

Lưu lượng dòng chảy trong ống: Q, m3/s

Vì Re1 = 1586 < 2320 do đó dòng chảy trong ống là dòng chảy tầng

Hệ số ma sát dọc đường 1 trên đường ống này là:

Vì Re2 = 4658 > 2320 do đó dòng chảy trong ống là dòng chảy rối

Hệ số ma sát dọc đường 2 trên đường ống này tính theo công thức Blasius:

Vì Re3 = 1586 > 2320 do đó dòng chảy trong ống là dòng chảy tầng

Hệ số ma sát dọc đường 2 trên đường ống này là:

3 = = = 0,04

Tổn thất áp suất toàn bộ trên đường ống nén từ bơm đến động cơ thủy lực:

+ Tổn thất dọc đường: là tổn thất xảy ra trên đường di chuyển của chất lỏng, chủ yếu

là do ma sát Ta có công thức tính tổn thất áp suất dọc đường của dòng chất lỏng:

+ Tổn thất cục bộ: là tổn thất xảy ra khi dòng chất lỏng chảy qua các thiết bị thủy lực,như là khóa van hoặc do biến dạng hay thay đổi hướng vận tốc của dòng chảy tổn thất này được tính như sau:

Vậy tổn thất áp suất toàn bộ là:

Trong đó:

- Hệ số tổn thất cục bộ, được xác định theo từng loại thiết bị

Van cản không khí lực lò xo: = 23Van giảm áp: = 3

Các ống nối thẳng: = 0,1 0,15Đầu nối với góc ngoặc 900: = 1,5 2, chọn = 1,5Van phân phối = 2 4, chọn =3

Tổn thất áp suất dọc đường trên đường ống nén pa, với chiều dài l = 4 m, hệ số cản vào ống = 0,7; đường kính trong của ống nén d2 = 0,046 m; hệ số tổn thất cục bộ tại đầu nốivới góc ngoặc 900: = 1,5; 2 = 0,04; v2 = 6 m/s

Tổn thất áp suất trên van tác động khóa lẫn pb2, hệ số tổn thất cục bộ = 2, vận tốc