Chương 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC
6.2 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC
Ta có ở phần trước, công suất cần thiét của động cơ là 3,883 KW ta chọn động cơ thủy lực có công suất 4 KW và số vòng quay là 636,6 vòng /phút.
Momen động cơ:
6 6
9,55.10 9,55.10 .3,838
60006( . ) 636,6
M N N mm
= n = =
Lưu lượng riêng của động cơ là: qđ = 50 (cm3/vòng)
Lưu lượng của động cơ: Q = n.qđ = 636,6. 50 = 31830 (cm3/phút)
Gọi là hiệu suất của đường ống thì lưu lượng thực cần cung cấp cho động cơ là :
Qct =
Q = 31830 3
45471, 4( / )
0, 7 = cm ph
Công suất cần thiết của bơm dầu là : 4
0, 7
Nct = N = = 5,7 (kw) Áp suất làm việc của động cơ là :
.612 3, 658.612 5
53,8 10 45, 714
P N
= Q = = (at)
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 130
6.2.1 Tính toán xi lanh thủy lực cho hệ thống đầu dập
Lựa chọn xi lanh truyền lực, cũng như tính tính toán đường kính cần thiết của nó phụ thuộc vào đặc điểm của máy, chủ yếu là phụ thuộc vào vận tốc của piston và lực làm việc của piston.
Hình 6.6: Piston-Xilanh thuỷ cho hệ thống đầu dập
Dường kính trong D cần lựa cho sự phụ thuộc vào lực và áp suất làm việc theo công thức sau đây.
2
4 P=D p
Từ đó : 2 . D P
p
=
Trị số đường kính điều được quy chỉnh hóa và có thể là các giá trị số sau đây : 45, 55, 65, 75, 90, 105 ,150,……
+ Như đã tính toán ở trên ta có lực dập Pd = 58496 (N) +Lực chặn phôi Pcp = (0,3-0,4).Pd = 17548,8 (N)
+ Lực tác dụng lên xi lanh P = 58496 +17548.8 = 76044.8 (N) + Chọn vận tốc đầu dập V1 = 0,04 m/s = 2,4 (m/phút)
+ Ta sử một xi lanh cho hệ thống đầu dập.
+ Chọn áp suất làm việc của piston là P1 = 500(N/cm2) = 5 (N/mm2) + Gọi đường kính piston là D1
Ta có :
2
4 P=D p
Từ đó : 1 76044,8
2 139, 2
. 3,14.5
D P
p
= = = (mm)
Chọn đường kính xi lanh D1 = 150 (mm) Diện tích làm việc cảu piston:
P1
P2
A1
A2
FL
DUT.LRCC
2 2 1
1
. 3,14.150
17671,5
4 4
F D
= = = (mm2)
Lưu lượng làm việc cảu piston là:
3
1 1. 1 17671,5.10 .2,4 42,4
Q =F V = − = (l/phút)
Gọi dc1 là đường kính cần piston.
Với P1 = 40at(15÷50) ta có tỷ lệ dc1/D1=0,5 dc1 = 0,5.150 = 75(mm)
Vận tốc lì của piston đầu dập là:
( ) ( )
6 1
1 2 2 6
1 1
4. 4.42400.10
9,6 3,14. 150 75 .10
l
c
V Q
D d
−
= = − =
− − (m/phút)
Công suất đầu dập:
1 1 1
. 58496. 2.4 2,34
1000.60
N =P V = = (kw)
Công suất cần thiết của bơm cần cung cấp:
1 1 2,34
3,34( )
ct 0, 7
N N kw
= = =
6.2.2 Tính toán xi lanh thủy lực cho hệ thống dao cắt
Việc truyền động cho hệ thống dao cắt cũng lấy từ nguồn của bơm dầu chung toàn hệ thống. Vì các hệ thống truyền động không hoạt động cùng một lúc. Lực cắt không lớn lắm, do đó công suất của nó cũng bé.
Hình 6.7: Piston-Xilanh thuỷ cho hệ thống cắt
Dường kính trong D cần lựa cho sự phụ thuộc vào lực và áp suất làm việc theo công thức sau đây.
P1
P2
A1
A2
FL
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 132
2
4 P D p
=
Từ đó : 2 . D P
p
=
Trị số đường kính điều được quy chỉnh hóa và có thể là các giá trị số sau đây : 45, 55, 65, 75, 90, 105 ,150,……
+ Như đã tính toán ở trên ta có lực dập Pc = 2050 (N) + Chọn vận tốc dao cắt V2 = 0,1 m/s = 6 (m/phút) + Ta sử một xi lanh cho hệ thống đầu cắt.
+ Chọn áp suất làm việc của piston là P2 = 60 (N/cm2) = 0.6 (N/mm2) + Gọi đường kính piston là D2
Ta có :
2
4 2 c
P =D p
Từ đó : 2
2
2 2050 66
. 3,14.0,6
Pc
D = p = = (mm)
Chọn đường kính xi lanh D2 = 75 (mm) Diện tích làm việc cảu piston
2 2
2 2
. 3,14.75 4 4 4415 F D
= = = (mm2)
Lưu lượng làm việc của piston là :
3
1 1. 1 4415.10 .0,6 26,5
Q =F V = − = (l/phút)
Gọi dc1 là đường kính cần piston
Với P1 = 40 at (15÷50) ta có tỷ lệ dc2/D2 =( 0,3÷0,35) dc2 = 25(mm)
Vận tốc lì của piston dao cắt là:
( ) ( )
6 2
2 2 2 6
2 2
4. 4.4415.10
16,67 3,14. 75 25 .10
l
c
V Q
D d
−
= = − =
− − (m/phút)
Công suất dao cắt:
2 2 2
. 2649,38. 0,1 0, 265
N =P V = 1000 = (kw)
Công suất cần thiết của bơm cần cung cấp:
2 2 0, 265
0, 278
ct 0, 7 N N
= = = (kw)
DUT.LRCC
6.2.3 Tính toán xác định các thông số làm việc của bơm
Do các bộ phận thủy lực của dây chuyền không hoạt động cùng một lúc. Do vậy ta cần chọn công suất cần thiết của bơm lớn hơn công suất cần thiết của động cơ dầu (Vì công suất của động cơ dầu lớn nhất). Để đơn giản trong tính toán ta có thể bỏ qua tổn thất thủy lực.
Nb > Ndc chọn Nb =4,65 KW
- Lưu lượng bơm cũng phải lớn hơn lưu lượng cần thiết khi một trong ba cụm hoạt động: Qb > Qct = Qdc
Chọn loại bơm có: qb = 50 (cm3 /vòng) nb = 950 (vòng /phút )
- Vậy lưu lượng của bơm là:
Qb = qb. Nb =0,5.950 = 47524 (cm3/phút) = 47.5 (lít /phút)
Qb > Qdd = 45,7 (lít /phút ) - Áp suất làm việc của bơm:
5 2
612. 612.4,65
60( ) 60.10 ( / ) 47,5
b b
b
p N at N m
= Q = = =
Nên Pb > pdc=53,8.105 (N/m2)
- Van tràn cần phải lựa chọn loại có lưu lượng lớn hơn lưu lượng yêu cầu:
47,5 (l/phút)
- Ống dẩn áp lực lớn thường dùng trong hệ thống thủy lực là ống đồng hoặc thép.
- Ta chọn đường kính ống theo công thức:
d = 4,6.
V
Q (mm)
V: vận tốc dầu trong ống.
Q: Lưu lượng dầu.
Vận tốc dầu trong ống thường dùng là:
Ống hút: V = 1,5 2 m/s Ống đẩy: V = 3 5 m/s Lưu lượng qua ống Q = 47.5 (l/phút)
Vậy ta tính được đường kính trong của đường ống hút
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 134
dh= 4,6 45,7
2 =22 (mm) Chọn dh = 25 (mm)
Đường ống đẩy:
dd = 4,6 45,7
13,9( )
5 = mm
Chọn dd =15 (mm) 6.2.4 Tính toán van đảo chiều
- Tiết diện đường dẫncủa van đảo chiều được tính theo công thức sau:
A (( ) .
600 cm2
v Q
x=
Trong đó:
Q-Lưu lượng dầu vào cửa van(cm3/ph) Q = 040l/ph V - Vận tốc dòng dầu qua van (cm/s) v = 710cm/s Vậy ta có:
A 6.6( )
10 . 600
1000 . 40 . 600
cm2
v Q
x= = =
- Xác định chiều dài của vách ngăn của các van đảo chiều 4 cửa 3 vị trí Chiều dài vách ngăn được tính theo công thức:
l = 1,7.10 ( )
. . . .
3
6 cm
Q d p
Trong đó:
−
p tổn thất áp suất qua khe hởgiữa con trượt và lỗ thông , có thể lấy
b p=0,5
bar
d - đường kính con trượt, d = 3cm
- khe hở giữa con tượt và thành lỗ trượt , =20m
Q-lượng dầu rò ,Q= 0,1 cm3/s
-độ nhớt động học, = 0,2 cm2/s Ta có :
l = 1,7.10
. . . .
3 6
Q d p
=l=1,7.10 1( )
2 , 0 . 1 , 0
) 10 . 2 .(
3 . 5 , .0
2 3
6 − = cm
DUT.LRCC
6.2.5 Tính toán cho van tràn a) Công dụng van tràn
Công dụng của van an toàn là dùng để hạn chế việc tăng ap suất chất lỏng làm việc trong hệ thống thủy lực vượt quá trị số đề phòng quá tải. Nguyên tắc làm việc của van an toàn là khi áp suất trong hệ thông vượt quá mức đièu chỉnh, van an toàn tự dộng mở ra để đưa dầu về bể. Ta thiết kế van dựa vào sự cân bằng tác dụng của lực ngược chiều trên nút van (lực tạo thành bởi kết cấu van như lực lò xo lực đối trọng ...) và áp suất của chất lỏng .Khi áp suất tăng vượt quá mức quy định ,áp suất này sẽ thắng được lực lò xo và hình thành khe hở thông giữa nút van và lỗ. Một phần chất lỏng sẽ qua khe hở này để về bể và áp suất chất lỏng rtong hệ thống giảm xuống mức quy định. Qúa trình này không diễn ra liên tục nên gọi là van an toàn.
Nếu như van an toàn hoạt động liên tục để làm nhiệm vụ giữ áp suất không đổi trong hệ thống thủy lực gọi là van tràn .Loại van này có kết cấu hoàn toàn giống như van an toàn nhưng điề chỉnh sao cho luôn luôn có một phần chất lỏng từ mạch cung cấp được dẫn qua van về thùng chứa. Do vậy, van an toàn làm việc thường xuyên hơn với tác dụng giữ cho áp suất không đổi.
Người ta phân van thành các loại có tác động trực tiếp và gián tiếp. Loại thứ nhất như van bi lò xo, van pittông –lò xo chỉ có sử dụng trong hệ thống có áp suất nhỏ, lưu lượng nhỏ.khi áp suất lớn và lưu lượng lớn, các kich thướccủa van phải lớn. Loại thú 2 có nhiều ưu điểm hơn, ta chọn thiết kế loại tổ hợp van bi – pittông.
b) Tính toán cho van tràn
Lưu lượng qua van được tính theo:
Q = k.AX. p Trong đó:
k - hệ số được tính bằng: k =
. 2.g (kG−1/2.cm2ph−1) Nếu g = 9.81m/s2 = 981.3600cm/ph2; =8,5.10−4kG/cm3;=0,65 Thì k =
. 2.g = 59252
10 . 5 , 8
3600 . 981 . . 2 65 ,
0 −4 = (kG−1/2.cm2ph−1)
p-độ lệch áp suất sinh ra trong van, p=p1-p2
Ta cóphương trình cân bằng:
P1.AX=P1X =C.x
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 136
Trong đó:
AX - Tiết diện có ích của van,cm2 P1X - Lực lò xo
C - Độ cứng lò xo ,C = 55 kG/cm
X - Khoảng dịch chuyển của nòng van. cm P1 - Ápsuất đường vào
Lưu lượng từ bơm bánh răng: Qb=60000 (cm3/ph)
Khi vận tốc vàodầu vào hệ thống v = 0 cm/ph, nghĩa là toàn bộ lượng dầu bơm bánh răng chảy qua van tràn và trở về bể dầu.
Ta phải có : Qv= 60000(cm3/ph)
Chọn van tràn có lưu lượng lớn hơn 60000(cm3/ph) Lượng dầu cần thiết cung cấp cho động cơ là:
Qct= 53300 (cm3/ph) Lượng dầu thừa sẽ đi qua van tràn:
Q=Qv-Qct=60000-53300=6700 (cm3/ph) 6.2.6 Bộ lọc dầu
Bộ lọc dầu có chức năng lọc các chất làm bẩn dầu .có nhiều loại kích cỡ và bộ lọc khác nhau song những bộ phận chủ yếu trong bộ là phần tử lọc ,khi dầu đi qua các chất bẩn sẽ bị giữu lại.Ngoài ra còn có một van nối tắt khi van này mở thì dầu đi qua trrực tiếp ,không được lọc
- Vật liệu lọc: có 3 loại vật liệu lọc thường dùng đó là màng kim loại ,chất dễ thấm,chất hấp thụ
+ Màng kim loại dù được dệt dày chúng cũng chỉ lọc được những hạt kim loại tương đối thô,không hòa tan
+ Loại lọc dùng vật liệu dễ thấm là bông vải,bột gỗ ,sợi hoặc giấy đã qua xử lý.Loại này lọc được những chất bẩn nhỏ hơn và một số có khả năng tách được nước và chất bẩn hòa tan trong nước.
+ Loại lọc dùng chất hấp thụ như than hoạt tính .Loại này không dùng trong hệ thống thủy lực vì ngoài việc hấp thụ các chất bẩn có trong dầu,còn hấp thụ luôn cả chất phụ gia trộn trong dầuđể chông sự mài mòn.
- Phần tử lọc: có 3 phần tử lọc cơ bản :kiểu bề mặt,kiểu cạnh và kiểu chiều sâu:
DUT.LRCC
+ Phần tử lọc kiểu bề mặt được làm bằng vải dày hoặc giấy đã qua xử lý .Dầu sẽ chảy qua các lỗ nhỏ của phần tử lọc còn chất bẩn sẽ được giữ lại.
+ Phần tử lọc kiểu cạnh dầu sẽ chảy qua khoảng trống giữa giấy hoặc các đĩa kim loại.Mức độ lọc được xác định bởi khe hở giữa các đĩa.
+ Phần tử lọc kiểu chiều sâu gồm các lớp bông vải hoặc nỉ dày.
Vị trí bộ lọc có thể chia làm 2 độ lọc là: lọc tinh và lọc thô. Lọc tinh thường đặt trên đường ống dầu trở về. Tại đây bộ lọc sẽ giữ lại các chất bẩn và các sản phẩm của quá trình mài mòn trong dầu trước khi dầu trở về bể chứa. Qua bộ lọc tinh độ suy giảm của áp suất là đáng kể. Bộ lọc thô được đắt trên đường ống lọc dầu .Không nên đặt bộ lọc tinh ở đây vì có thể gây ra tình trạng “thiếu dầu” của máy bơm. Khi dầu đi qua bộ lọc thô độ suy giảm của áp suất là không đáng kể.
6.2.7 Ống dẫn dầu và các bộ ống nối
Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van)vói các cơ cấu chấp hành, vớihệ thống biến đổi năng lượng(bơm dầu,động cơ dầu), ngườit ta dùng các ống dẫn, ống nối hoặc các tâm nối.
a) Ống dẫn dầu
*Yêu cầu
Ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiên bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu bằng đông hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 1350C). Ống dẫn cần phải đẩm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất. Đễ dẫn tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến dạng của tiết diện và sự đổi hướng chuyển động của dầu.
- Chọn đường kính ống: chọn đường kính ống theo công thức sau d = 4.6
V
Q (mm)
- Vận tốc dầu trong ống dẫn thường dùng là :
+ ống hút : v = 1,52(m/s)chọn v = 2 (m/s) + ống đẩy : v = 35(m/s)chọn v = 4(m/s) Lưu lượng dầu qua ống: Q = 57.75 (l/ph)
Do đó :
+ Đường ống hút:
dh= 4.6 V Q = 4,6
2 75 ,
57 =25 (mm)
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 138
Chọn dh=25 (mm) + Đường ống đẩy
dd= 4.6 V Q = 4,6
4 75 ,
57 = 17.4 (mm) Chọn dd = 18 (mm)
b) Ống nối
*Yêu cầu
Trong hệ thống thủy lực ,ống nối có yêu cầu tương đối cao về độ bền và độ kín.
Tùy theo điều kiện sử dụng ống nối có thể không tháo được và tháo được.
*Các loại ống nối
Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối ống dẫn với các phần tử thủy lực trong máy ép thiết kế,ta dùng các loại ống nối:
- Ống nối vặn ren.
- Ống nối siết chặt bằng đai ốc.
6.2.8 Bể dầu
Bể dầu dùng để lưu trữ và điều hòa dầu cho sự hoạt động của toàn bộ hệ thông dầu ép.Nó thường đặt bên ngoài máy để tránh tác dụng nhiệt ảnh hưởng đến các bộu phận làm việc của máy.
Khi thiêtý kế bể dầu ngoài việc cung cấp đủ dầu cho bơm còn phải có khả năng : - Tỏa nhiệt dầu tốt.
- Tách được không khí ra khỏi dầu.
- Nhận biết được sự ô nhiễm trong dầu.
a) Xác định dung lượng nhỏ nhất của thùng chứa
Dung lượng nhỏ nhất của thùng chứa được xác định bởi sự thay đổi dung lượng của các cơ cấu của hệ thống thủy lực trong quá trình làm việc.
Dung lượng nhỏ nhất của thùng chứa được xác định theo công thức:
W =i Wi
1
Trong đó:
W1 sự thay đổi dung lượng lớn nhất trong các xy lanh
W1 = 2.V1+V2
V1-dung tích lớn nhất của xy lanh.
DUT.LRCC
V1= D l 4 . . 2
= A1.l = .60 4
7 . 2
= 2309 cm3 Như vậy ,ta có:
W1 = 2.2309 = 4618(cm3) Ta lấy W1 = 4,618 (l). Lấy W1 = 5(l)
W2 – dung tích ống dẫn và các van
Nếu chièu dài ống dẫn là 1000cm ,đường kính ống dẫn là 2 cm thì dung tích dầu trong ống dẫn là:
W2 = 1000.
4 2 . 14 .
3 2
=3140 (cm3)(=3lít)
W3 – dung lượng dầu trong các van có thể lấy W3 = 5 (l)
W4 – sự thay đổi dung lương chất lỏng trong hệ thông thủy lực do sự giãn nở vì nhiệt gây ra:
W4 = 5
1
. . WJ t
t
Trong đó:
t- hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng,t = 10−3[lít/độ]
t -sự thay đổi nhiệt đọ trong hệ thống dầu ép trong quá trình làm việc .nếu nhiệt độ trung bình không khí thay đổi từ 20250C và để cho nhiệt độ dầu giới hạn không vượt quá 55600C thì t =350C
Ta có:
W4 = (10000+88799+3140+5000+2010).10−3.35 = 3813 cm3 Lấy W 4 = 4 lít
W5 – Dung lượng chất lỏng dự trữ để bù vào sự rò rỉ cũng như để tạo thành một mức chênh lệch nào đó giữa kênh nạp vào và kênh tháo ra khi lưu lượng lớn ,thường thì mức chênh lệc này lớn hơn hoặc bằng 50mm,chọn W5 = 20 (l)
b) Tính chọn dung tích bể dầu
Trong thực tế (đối với những máy cố định như máy ép thiết kê) dung tích của thùng chứa được chọn sao cho có thể chứa được chất lỏng bằng 23 lần lưu lượng của bơm cung cấp ,tức là: W =(23).Q
W = 2.60 = 120 (l)
Chọn dung tích thùng chứa là W = 150(l)
DUT.LRCC
SVTH: Phan Văn Ngọc Hướng dẫn: ThS. Lưu Đức Hòa Trang 140
Nếu chọn kết cấu bể dầu có hình hộp chữ nhật thì kích thước của nó được liên hệ với dung lượng theo phương trình :
W = a.b.h = a.b.0,8H Trong đó:
W - Dung lượng dầu a - Chiều rộng bể dầu b - Chiều dài bể dầu, b = 2a
h - Chiều cao của mực dầu trong bể, h = 0.8H H - Chiều cao bể dầu, H = 1.4a
a = 3 4 . 22
W =3 4 . 22 150000