đồ án truyền động thuỷ khí cần trục bánh xích

thuyết minh đồ án cần trục bánh xích, đây là bản thuyết minh môn học đồ án truyền động thuỷ khí động lực. Đồ án giúp sinh viên nắm bắt được các mạch thuỷ chứa trong máy cần trục, các đường dầu hoạt động từ đó biết được nguyên lý hoạt động của máy

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây nền kinh tế của đất nước ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là từ khi nước ta gia nhập WTO, hàng hóa nhập vào và xuất ra càng nhiều, yêu cầu thiết bị vận chuyển bốc xếp chuyên dụng càng cao Để đảm nhận việc đó chủ yếu là các cần trục ôtô

Quá trình làm việc của cần trục thường được dẫn động bởi hệ thống thủy lực

Vì vậy, việc tìm hiểu nguyên lý làm việc, kết cấu của hệ thống thủy lực trên cần trục, để từ đó có phương án sữa chửa, bảo dưỡng được dễ dàng

Do kiến thức còn nhiều hạn chế, kinh nghiệm chưa nhiều, tài liệu tham khảo còn ít và điều kiện thời gian không cho phép nên đồ án môn học không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong quý thầy cô trong bộ môn chỉ bảo để em hoàn thiện hơn.

Cuối cùng, em gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn T.S Lê Minh Đức, Thầy (cô) giáo trong bộ môn và các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Đà nẵng, ngày 29 tháng 07 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Dương Văn Hòa

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU ……… … trang 1Mục lục ………trang 2

1 Tổng quan về máy mẫu Hitachi KH180-3……… trang 3

1.1 Giới thiệu chung về cần trục bánh xích ……….….trang 31.2 Các thông số tính toán……….trang 3

2 Xây dựng sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực……… ………trang 5

2.1 Sơ đồ mạch thủy lực……… trang 52.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống……….trang 52.3 Sơ đồ mạch thiết kế……… trang 6

3 Tính toán thiết kế hệ thống truyền động thủy lực……… trang 7

3.1 Tính toán thiết kế xylanh nâng hạ cần……… trang 73.2 Tính toán động cơ thủy lực kéo tời……….trang 103.3 Tính chọn bơm………trang 16

4 Tính toán thiết kế van khóa lẫn……… trang 22

5 Các phần tử thủy lực trong hệ thống……… trang 24

6 Đánh giá tính kinh tế……… trang 29

7 Tài liệu tham khảo……… trang 29

1 TỔNG QUAN VỀ MÁY MẪU: HITACHI KH180-3

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: Thay đổi vị trí lấy hàng xa hay gần theo phương nằm ngang

Cơ cấu quay: Thay đổi vị trí lấy hàng theo nhiều phương khác nhau

Cơ cấu di chuyển: Giúp xe di chuyển đến các vị trí làm việc

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

cơ cấu

1.2 Các thông số tính toán

Áp suất làm việc của dầu: p = 32 Mpa

Tải trọng hàng nâng: G=50 tấn

Thông số kĩ thuật của xe Hatachi KH180-3

Chú thích:

1-Thùng dầu 2-Bộ lộc dầu thủy lực 3-Động cơ dẫn động bơm 4-Van an toàn Van một chiều 6-Bơm thủy lực 7-Van phân phối kiểu 4/3 8-Động cơ thủy lực di chuyển trái 9-Động cơ thủy lực di chuyển phải 10-Động cơ thủy lực quay toa 11-xylanh nâng hạ cần 12-Động cơ thủy lực kéo tời 13-Phanh thủy lực động cơ kéo tời.14-Cụm van điều tốc 15-Van tác dụng khóa lẫn

5-2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Động cơ dẫn động bơm quay làm bơm quay theo, dòng dầu có áp suất cao được bơm thủy lực bơm trực tiếp từ thùng dầu qua bộ lộc đến các xylanh thủy lực nâng hạ cần

11 và động cơ thủy lực kéo tời 12 qua van một chiều và đến các van phân phối chính của hệ thống Van phân phối luôn có dòng dầu đi qua để đảm bảo áp suất của hệ thống luôn được ổn định Bộ ổn định vận tốc luôn được đặt ở đường dầu ra nhằm đảmbảo vận tốc nâng hạ cần, các động cơ thủy lực luôn được ổn định Hệ thống được lắp

thêm van khóa lẫn để ổn định áp suất ,tránh hiệm tượng tụt áp chống trượt cho hệ thống lúc hạ hàng.

Tương tự, dòng dầu cũng được bơm từ một bơm khác đến các động cơ thủy lực di chuyển trái, phải 8,9 và động cơ thủy lực quay toa 10 qua bộ lộc dầu đến các van phânphối các van ổn tốc cũng được lắp ở đường dầu ra để ổn định vận tốc cho hệ thống khi làm việc

2.3 Sơ đồ mạch thủy lực thiết kế

Thực hiện hạ cần: Đẩy con trượt của van phân phối sang vị trí III, dầu từ bơm 6 theo đường ống đến vị trí I qua van tác dụng khóa lẫn đến khoang dưới của xylanh 11 Dầu

ở khoang trên của xylanh được đẩy qua van khóa lẫn, về van phân phối và về thùng dầu.

Đẩy con trượt sang vị trí III, thực hiện chu trình ngược lại so với vị trí I Lúc này cặp xylanh thực hiện quá trình nâng cần.Van khóa lẫn được đặt nhằm khắc phục hiện tượng tụt dầu khi van phân phối đang ở vị trí III

3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

3.1 Tính toán thiết kế xylanh nâng hạ cần

Theo máy mẫu thì bán kính làm việc của cần trục là (R=30->80°), để tính các thông

số cần thiết cho piston, ta xét trường hợp hạ cần trục khi cần trục đang làm việc ở góc

α=55°

Trong đó: O – là tâm quay củả cần trục

P – tải trọng nâng cho trước G=50 tấn; Gc – tải trọng cần trục mc=15000 Kg F1 – lực giữ cần trục

F2 – lực tác dụng vào xylanh nâng hạ cần

F1.cos(55°−18 °)+F2.cos(55°−16 °)-F3.cos55°=0

 F1.cos37°+F2.cos(39°)-F3.cos55°=0 (1)

 F1.sin(55°−18 °)+F2.sin(55°−16 °)-F3.sin55°+P+Gc=0

 F1.sin37°+F2.sin(39°)-F3.sin55°+P+Gc=0 (2)

p1 áp suất dầu buồng công tác p1=32 Mpa

p2 áp suất dầu buồng mang cần pitton,chọn p2=5 bar

A1 diện tích piston buồng công tác - A1=π D2

G tải trọng của piston

Phương trình cân bằng lực của cụm piston-xylanh đang xét:

Đường kính xylanh D=120 mm

Đường kính cần piston d= 90 mm

Áp suất làm việc của xylanh 250 bar

Tiết diện bề mặt làm việc của piston

3.2 tính toán động cơ thủy lực kéo tời

Tải trọng nâng đề tài cho là G=50 tấn

Chọn độ cao nâng hàng H=13,5 m

Để nâng hàng của máy mẫu là v=70 m/phút=1,2 m/s

Để nâng hàng lên độ cao H , thì phải mất chiều dài (l) cáp nâng

Vì dùng hệ ròng ròng 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= 2H = 2.13,5 = 27 m

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

Áp suất không phụ thuộc vào số vòng quay

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

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

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

 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 pistonlàm đầu piston tỳ vào đĩa nghiêng sinh ra momen làm roto quay

Gọi F là áp lực chất lỏng tác dụng lên piston

F = p.π D2

4

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

D là đường kính xilanh bơm piston roto

Áp lực chất lỏng F thông qua đầu piston tác dụng lên đũa nghiêng và phân thành 2 lực N và Q theo các phương như hình đã vẽ

N = F.cosγ thẳng góc với mặt phẳng đĩa

Q = F.sinγ nằm trong mặt phẳng đĩa và song song với trục x

Lực 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.sinφ

Qn = Q.cosφ

Momen do lực T tạo ra trên trục ( tính cho một piston)

M = T.Rx = Q.sinφ.Rx = Rx.F sinγ Sinφ

Trong đó: Rx bán kính mặt trụ phân bố các trục xilanh

∑M là tổng của momen do các piston ở khu vực có áp suất tác dụng gây ra

a = 2 π z 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 vào góc φ nên có thể điều chỉnh momen quay của động cơthủy lực bằng cách thay đổi góc nghiêng γ của đĩa mà không cần thay đổi áp suất làmviệc của chất lỏng

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

i=0

m

Ri Ti = Mdctl

Vớim là số xilanh của động cơ thủy lực

Mdctl là momen động cơ thủy lực

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

Momen do lực quán tính

Ma = J.ε (Nm)

Trong đó: J- momen quán tính khối lượng trên trục động cơ dầu, Kg.m2

ε- 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 ε sẽ rất nhỏ do đó Ma sẽ rất nhỏ, để đơn giãn quá trình tính toán ta bỏ qua Ma

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

Ms=10%Mdctl=0,1Mdctl (Nm)

Momen do tải trọng ngoài tác dụng lên trục động cơ dầu Mn, giả sử tang tời được nối với động cơ thủy lực thông qua khớp nối thì Mn=Mt=61312,5 Nm

Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ thủy lực :

Mdctl = Ma+Ms+Mn = 0+0,1.61312,5+61312,5 = 67443,75 (Nm)

Theo quá trình tính toán ở trên ta có thông số làm việc của động cơ thủy lực như sau: Momen động cơ thủy lực: Mdctl = 67443,75 Nm

Số vòng quay của động cơ nđc = 45,6 vòng/phút

Áp suất chất lỏng đề tài cho p = 32 Mpa

Hiệu suất của bơm và động cơ thủy lực như sau:

𝜂Qb = 𝜂Qđc = 0,98

𝜂ckb = 𝜂ckđc = 0,95

𝜂tlb = 𝜂tlđc = 1

Trong đó: 𝜂Q hiệu suất lưu lượng

𝜂ck hiệu suất cơ khí

𝜂tl hiệu suất thủy lực

 Các thông số làm việc cơ bản của động cơ thủy lực

Momen quay lý thuyết của động cơ thủy lực là:

Mltdc = M ηc đctl

ck = 67443,750,95 = 70993,4 (Nm)Lưu lượng riêng lý thuyết của động cơ thủy lực

N = Ntl 𝜂ck 𝜂Q = 368480.0,95.0,98 =308049 W = 308 kW

 Các kích thước cơ bản của động cơ thủy lực

Chọn số piston:

Số piston của máy piston rôt hướng trục thường được chọn từ 7 đến 11 Với

động cơ thường chọn như sau: [4-trang 170]

Trong đó: z là số xilanh của động cơ thủy lực, chọn z = 11 nên m = 4,5

γ là góc nghiêng của đĩa, ta lấy γmax=30° ( đối với động cơ thủy lực)

Sở dỉ phải hạn chế góc γkhông quá lớn vì tăng góc γ hành trình của các piston sẽ tăng ,nhưng lực tác dụng lên các chi tiết cũng tăng ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết Đường kính d được xác định, lấy tròn theo tiêu chuẩn, sau đó xác định các kích thước của bơm

Tổng momen gây ra trên truc 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 :

i=0

m

Ri Ti = Mb Với m là số xylanh của bơm thủy lực

Vì trong hệ thống ta cần thiết kế nên ta chọn bơm piston rôt hướng trục có thể tạo ra một momen Mb bằng momen lý thuyết của động cơ thủy lực

Trong đó : p là áp suất của dầu làm việc trong hệ thống ( Theo đề tài cho p= 32 Mpa)

∆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 xylanh 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 2 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

 Tính toán ống dẫn

Ta cần 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 p = 32 Mpa, ta chọn dầu công nghiệp Castrol Hyspin AWS 100 có độ nhớt động học ϑ = 100 cSt , khối lượng riêng ρ = 890 kg/m3

Lưu lượng dòng chảy trong ống

Q = π D2 v

4 (3.29 – trang 31 [ 4])

Trong đó : d đường kính trong của ống (m)

υ vận tốc dòng chảy trong của ống m/s

Vì Re2 = 2040 < 2320 do đó dòng chảy trong ống là dòng chảy tầng

Hệ số ma sát dọc đường 𝜆2 trên đường ống này tính theo công thức Blasius

Re3 = v 2 d 2 ϑ = 2.0,083

100.10−6 = 1660

Vì Re3 = 1660 < 2320 do đó dòng chảy trong ống là dòng chảy tầng

Hệ số ma sát dọc đường 𝜆3 trên đường ống này

𝜆3 = ℜ64

3 = 166064 = 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 dọc đường của chất lỏng

∆p = 𝜆d l.ρ v2 2 (N/m2¿ (4-7 [1])

Tổn thất cục bộ: là tổn thất xảy ra khi dòng chất lỏng chảy qua các thiết bị thủylực, như là khóa van hoặc biến dạng hay thay ổi hướng ổi vận tốc của dòng được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: chảy tổn thất này ược tính như sauđược ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là:

Trong ó: được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: ρ – khối lượng riêng của dầu công nghiệp 100, ρ = 890 kg/m3

v – vận tốc trung bình của dầu (m/s)

l – chiều dài ống (m)

d – ường kính ống (m)được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là:

Các hệ số tổn thất sau ược tra ở phụ lục [1]được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là:

𝜉 – hệ số tổn thất cục bộ, ược xác ịnh theo từng loại được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: thiết bị

van giảm áp ξ = 3

khóa thẳng 𝜉 = 0,5 ÷ 1

các ống nối thẳng 𝜉t = 0,1 ÷ 0,15

ầu nối với góc ngoặc 90được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: ° 𝜉n = 1,5 ÷ 2 chọn 𝜉n = 1,5

van phân phối 𝜉 = 2 ÷ 4 chọn 𝜉 = 3

Tổn thất áp suất dọc ường trên ường ống nén được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: ∆pa, với chiều dày l = 4 m,

ường kính trong của ống nén d

được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: 2 = 0,068 m, hệ số tổn thất cục bộ tại ầu nối vớiđược ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: góc ngoặc 90°, 𝜉n = 1,5, λ2 = 0,03, v2 = 3 m.

 các thông số làm việc cơ bản của bơm

Bơm cần cung cấp cho hệ thống một áp năng pb và một momen Mb

 nb = q ltdc q n đc

ltb =0,0139.45,60,015 = 42,2 ( vòng/phút )Lưu lượng lý thuyết của bơm

Trong đó: m tỉ số giữa đường kính vòng chia Dr với đường kính piston d, m = Dr d

z số xylanh của bơm chọn z = 11 thì m = 4,5

γ góc nghiêng của đĩa, chọn γ = 25°

S = D.tanγ = 423.tan25° = 197,2 mm

4 Tính toán thiết kế van khóa lẫn

Kết cấu của van tác động khóa lẫn, thực ra là lắp hai van một chiều điều khiển được hướng chặn

Lưu lượng chảy qua van:

Q = μ.A x.√2 g ρ √∆ p ( 3-8 [1])

Trong đó: μ – hệ số lưu lượng

A X=π.d.h.sinα2 - diện tích mặt cắt ngang của khe hở thông

h – độ mở của van theo hướng trục

Do đó ta có h =

Q

μ π d sin α

2 √2 g ∆ p ρ (3 – 9 [1])Trong đó: d – đường kính dầu vào ,chọn d = 68 mm , D = 78 mm

Để đảm bảo độ kín khít ta tính lực lò xo sao cho độ chênh áp giữa cửa vào và cửa ra của van là ∆ p = ∆ p b 2 = 8010 (N/m2)

Để tránh hiện tượng kẹt khi óng nút van phải ảm bảo được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là: α ≤ 60° Khi α ¿ 60° ÷

90° thì chiều cao nâng thường ược chọn h = (0,2 ÷ 0,3)d (trang 133 [4])được ta chọn động cơ thủy lực cho mạch kéo tời là:

Chọn van có nút côn có góc α = 90° μ = 0,6 (bảng 7-1 [4]) Suy ra h =

Nếu bỏ qua ma sát thì phương trình cần bằng lực tác dụng lên nút van là:

F 1 x = x0.C =∆ p π d2

4 (3-10 [1])Trong đó: x0 – độ nén ban đầu của lò xo (cm)

C – độ cứng của lò xo (kg/cm)

Suy ra F 1 x=0,0801.π 6,82

4 = 2,9 (bar)Khi bỏ qua lực ma sát thủy động, lực quán tính thì phương trình cân bằng áp suất tại nút van khi mở là:

Từ F 1 x , F 2 x ta tính được C = 1,72 kg/cm, x0 = 1,7 cm

Tra độ cứng và đường kính của lò xo theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 2020-77)

Đường kính ngoài của lò xo D = 36 mm