123Doc bai tap thuy luc va khi nen co loi giai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ       BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT THỦY LỰC VÀ KHÍ NÉN Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2020 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén MỤC LỤC CHƯƠNG 1: THỦY LỰC 1.1 Bài tập 1.2 Bài tập 1.3 Bài tập 1.4 Bài tập 1.5 Bài tập 1.6 Bài tập 1.7 Bài tập 1.8 Bài tập 1.9 Bài tập 1.10 Bài tập 10 1.11 Bài tập 11 1.12 Bài tập 12 1.13 Bài tập 13 CHƯƠNG 2: KHÍ NÉN 2.1 Bài tập 2.2 Bài tập 2.3 Bài tập 2.4 Bài tập 2.5 Bài tập 2.6 Bài tập 2.7 Bài tập Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén I CHƯƠNG 1: THỦY LỰC 1.1 Bài tập Một bơm có lưu lượng riêng 14 cm 3/vòng kéo động có số vịng quay 1440 vịng/phút Bơm có khả tạo áp suất 150 bar Tổn thất thể tích qua bơm 10%, hiệu suất bơm 80% Tính: Lưu lượng khỏi bơm Công suất cần phải cung cấp trục bơm Moment xoắn trục bơm Giải: Lưu lượng khỏi bơm 𝑄𝑎 = 𝐷𝑟 × 𝑛𝑃 × 𝜂𝑡𝑡 = 14.10−6 × 1440 60 Công suất cần phải cấp trục bơm × 0.9 = 3,024.10−4 𝑚 𝑠 𝑃𝑏ơ𝑚 = 𝑄𝑎 × 𝑃 × × = 3,024.10−4 × 150.105 × × 𝜂𝑡𝑡 𝜂𝑐ơ 0.9 0.8 = 6300 𝑊 Moment xoắn trục bơm 1440.2𝜋 𝑇 = 𝑃𝑏ơ𝑚 ÷ 𝑛𝑃 = 6300 ÷ = 41,778 𝑁𝑚 60 1.2 Bài tập Một bơm có lưu lượng riêng 100 cm 3/vịng điều khiển động có số vịng quay 1000vòng/phút Lưu lượng khỏi bơm 0,0015m 3/s với áp suất 70bar Moment xoắn trục bơm 120Nm Hiệu suất bơm bao nhiêu? Giải: Tính hiệu suất bơm cần tính hiệu suất thể tích hiệu suất bơm: 𝑄𝑎 0,0015 𝜂𝑡𝑡 = 𝐷 𝑟 𝑀 100.10−6 × ×𝑛 60 1000.2𝜋 = 1000 = 0,9 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén 𝑃𝑏ơ𝑚 = 𝑇𝑃 × 𝑛𝑃 = 120 × ( 𝑄𝑎 × 𝑝 𝜂𝑐ơ = 𝑃𝑏ơ𝑚 × 𝜂𝑡𝑡 ) = 4000𝜋 60 0,0015 × 70.105 == 0,9284 4000𝜋 × 0,9 𝜂𝑏ơ𝑚 = 𝜂𝑡𝑡 × 𝜂𝑐ơ = 0,9 × 0,9284 = 0,8356 1.3 Bài tập Một bơm có lưu lượng riêng 1,7 cm 3/vòng điều khiển động có số vịng quay 1500vịng/phút Nếu hiệu suất thể tích bơm 87% hiệu suất của bơm 76% tính: Lưu lượng khỏi bơm Công suất cần thiết để cung cấp cho bơm áp suất bơm 150bar Giải: Lưu lượng khỏi bơm 1500 𝑄𝑎 = 𝐷𝑃 × 𝑛 × 𝜂𝑡𝑡 = 1,7.10 × 60 Cơng suất cần phải cấp trục bơm −6 1 𝑚3 × 0.87 = 3,7.10−5 𝑠 −5 1 𝑃𝑏ơ𝑚 = 𝑄𝑎 × 𝑃 × × = 3,7.10 × 150.10 × × 𝜂𝑡𝑡 𝜂𝑐ơ 0.87 0.76 = 839,38 𝑊 1.4 Bài tập Lưu lượng khỏi bơm bánh 15lít/phút với áp suất 200bar Tốc độ quay bơm 1430 vịng/phút, cơng suất cung cấp 6,8kW, hiệu suất bơm 87% Hỏi hiệu suất tổng bơm bao nhiêu? Giải: 15.10−3 × 200.105 𝜂𝑡𝑡 = 𝑄𝑎 ×𝑃 60 = 0,845 = 𝑃𝑏ơ𝑚 × 𝜂𝑐ơ 6800 × 0,87 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Hiệu suất tổng bơm: 𝜂𝑏ơ𝑚 = 𝜂𝑡𝑡 × 𝜂𝑐ơ = 0,87 × 0,845 = 0,735 1.5 Bài tập Một bơm cánh gạt có lưu lượng riêng 115 cm 3/vịng Đường kính rotor 63,5mm, đường kính cam ngồi 88,9mm Chiều rộng cánh gạt 50,8mm Hỏi độ lệch tâm rotor cam bao nhiêu? Giải: Thể tích cơng tác tạo khoảng mặt trụ rotor stato với cánh gạc là: => V =2beD V 115 e= = = 0,405 cm= 4,05 mm 2bD .8,89.5,08 Vậy độ lệch tâm rotor stato 4,05 mm 1.6 Bài tập Lưu lượng riêng bơm 25 ml/vòng Bơm điều khiển động điện có số vịng quay 1440 vịng/phút Cơng suất động điện 10 kW Cho hiệu suất tổng hiệu suất bơm 85% 90% Tính: Lưu lượng khỏi bơm Áp suất lớn bơm tạo mà không gây tải cho động điện Giải: Lưu lượng khỏi bơm 𝜂𝑏ơ𝑚 0,84 14 𝜂= = = 𝜂𝑡𝑡 0,9 15 1440 14 𝑄𝑎 = 𝐷𝑃 × 𝑛 × 𝜂𝑡𝑡 = 25.10 × × = 5,6.10−4(𝑚3/𝑠) 60 15 Áp suất lớn mà động tạo −6 𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝑄𝑎 ×𝑃𝜂𝑏1𝑡𝑡ơ𝑚𝜂1𝑐ơ =−610×.101440603× 01.9 = 15.106(𝑁/𝑚2) × 25.10 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén 1.7 Bài tập Lưu lượng lý thuyết bơm 35lít/phút hiệu suất thể tích 90% Bơm dùng để điều khiển xylanh có đường kính piston 110mm, đường kính cần 65mm, chiều dài hành trình 700mm Tính: Vận tốc duỗi co vào xylanh Thời gian để thực chu kỳ hoàn chỉnh Giải: Vận tốc vào xylanh 𝑄𝑎 = 𝑄𝑟 𝜂𝑡𝑡 = 35.103 −4 0,9 = 5,25.10 𝑄𝑎 60 5,25.10−4 𝑉𝑟𝑎 = 𝐴𝑙ớ𝑛 = 0,11 𝜋= 0,055 𝑚/𝑠 𝑄𝑎 5,25.10−4 𝑉𝑣à𝑜 = 𝐴 = (0,11 − 0,0652) Thời gian để hồn thành chu trình: 𝑛ℎỏ 𝑇 𝜋 = 0,085 𝑚/𝑠 𝑠 𝑉𝑟𝑎 𝑉𝑣à𝑜 0,055 0,085 1.8 Bài tập Con đội thủy lực có đường kính cần 65mm cung cấp lượng bơm tay có lưu lượng riêng 5ml hành trình kép Áp suất tối đa hệ thống đạt 350bar Tính số hành trình kép cần thiết bơm để cần piston dịch chuyển 50mm Tính tải trọng tối đa mà đội thủy lực nâng Giải: Tính số hành trình Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén 𝑉 𝑉 𝜋 𝑚𝑚3 165831,25 𝑛 lần Tải trọng tối đa mà đội thủy lực nâng 𝜋 𝐹 = 𝑝𝑚𝑎𝑥 × 𝐴 = 350.105 × 652 106 = 116082 𝑁 1.9 Bài tập Cho xy lanh thủy lực: Xylanh có đường kính piston 2cm Xylanh có đường kính piston 4cm Xylanh có đường kính piston 5cm Cả xylanh chịu tải trọng 1000N, điều khiển van phân phối cho dầu từ bơm vào xylanh Cho mát đường ống không mát áp suất van phân phối bar Tính: Chỉnh van tràn áp suất ba piston nâng vật nặng 1000N Cần piston chạy lên cần piston chạy lên cuối Giải: Áp suất để nâng vật xylanh là: F1 F1 1000 3183099 Pa 31,8 bar p1 = =A D2 = 0,022 =  1 4 Áp suất để nâng vật xylanh là: F2 F2 1000 795775 Pa8,0 bar p2 = =A2  D22 = 0,042 = Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Áp suất để nâng vật xylanh là: F3 F3 1000 p3 = = D32 =.0,052 = A3  509296 Pa 5,1 bar Áp suất cần thiết để nâng vật xy lanh lớn nhất, suy áp suất van tràn cần cài đặt để ba piston nâng vật nặng 1000N là: p = +(p1 2).110% =33,8 bar Cần piston chạy lên piston xylanh cần áp suất nhỏ để nâng vật ( p3 = 5,1 bar) Cần piston chạy lên cuối piston xylanh cần áp suất lớn để nâng vật ( p1 = 31,8 bar) 1.10 Bài tập 10 Cho đoạn mạch gồm van chiều nối với nhau, hướng di chuyển dầu chảy từ A đến B, mát áp suất dầu chảy qua van ký hiệu p hình vẽ Tính áp suất dầu B, C, D áp suất dầu A 100bar Bỏ qua mát áp suất ống dầu đường kính ống nơi Giải: Áp suất đầu B: 𝑃𝐵 = 𝑃𝐴 − 𝑝𝑛ℎỏ = 100 − = 99 𝑏𝑎𝑟 Áp suất đầu C: 𝑃𝐶 = 𝑃𝐵 − 𝑝𝑛ℎỏ = 99 − = 94 𝑏𝑎𝑟 Áp suất đầu D: 𝑃𝐷 = 𝑃𝐵 − 𝑃 = 94 − − = 90 𝑏𝑎𝑟 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén 1.11 Bài tập 11 Một xy lanh phải thực lực đẩy 100kN trình duỗi lực đẩy trình co lại 10kN Vận tốc lùi lại 5m/phút Giả sử áp suất lớn bơm 160bar tổn thất áp suất thiết bị cho sau: Bộ lọc  =p3 bar Van phân phối  =p2 bar (cho dòng chất lỏng qua van) Van tiết lưu  =p10 bar Van chiều  =p3 bar Hãy xác định: Kích thước xy lanh (giả sử tỉ lệ diện tích piston 2:1) Áp suất bơm tạo hai trình Trong trường hợp a) Khơng có van tiết lưu b) Tiết lưu đường dầu vào với vận tốc duỗi 0,5m/phút c) Tiết lưu đường với vận tốc duỗi 0,5m/phút Giải: a) Khơng có van tiết lưu: Áp suất lớn tác động tồn diện tích piston (A – mm 2): p =160− − =2 155 bar Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Áp suất phần vành khăn (a – mm 2) bar gây nên áp suất bar phần diện tích tồn phần diện tích tồn phần piston, áp suất lơn thực tế tác động lên phần diện tích A là: pmax = − =155 154 bar A= pFmax = 154.10100.1053 = 0,00649 m2 Diện tích A.4.1000 Đường kính piston = = 0,0909 m= 90,9 mm  Chọn đường kính piston trục theo tiêu chuẩn: D = 100 mm, d = 70 mm Vậy A = 7,85.105 m2; a = 4.105 m2 Lưu lượng cần vận tốc lùi m/phút: Q = =v.a5.4.10−3 = 20 /l ph Vì khơng có van tiết lưu nên: Qextend =Qretract = 20 /l ph Vận tốc tiến: Q V = =A 20.10−3 7,85.10−3 = 2,55 m ph/ Áp suất để tiến xylanh là: F1 100.103− 12,7.106N / m2 =127 bar p1 = =A 7,85.10 = Áp suất để lùi xilanh là: F2 10.103 2,5.106N / m2 p2 = =a 4.10−3 = = 25 bar Áp suất bơm hành trình tiến xylanh: Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén - Tổn áp qua van dẫn hướng từ cổng B qua T 2.1/2 = bar - Áp suất xylanh = 127 bar - Tổn áp qua van dẫn hướng từ cổng P đến A bar - Tổn áp qua lọc bar - Vậy áp suất tổng bơm cho hành trình tiến là: pp extend− =127+ + + =1 133 bar Áp suất bơm hành trình lùi xylanh: - Tổn áp qua van dẫn hướng từ cổng A qua T 2.2 = bar - Áp suất xylanh = 25 bar - Tổn áp qua van dẫn hướng từ cổng P đến B bar - Tổn áp qua lọc bar - Vậy áp suất tổng bơm cho hành trình tiến là: bar =25 pp retract− = + + + 34 b) Tiết lưu đường dầu vào với vận tốc duỗi 0,5m/phút Từ TH1, ta có thơng số sau: D = 100 mm, d = 70 mm A = 7,85.105 m2, a = 4.105 m2 Áp suất gây tải tiến = 127 bar Áp suất gây tải lùi = 25 bar Lưu lượng bơm = 20 l/ph Lưu lượng cần cho trình tiến xylanh = 7,85.10-3.0,5 = 3,93 l/ph Áp suất yêu cầu bơm trình lùi: pp retract− = + + + =252.2 2.3 40 bar Áp suất bơm trình tiến: pp extend− =127+ 2.1/ 2+ + + =10 Áp suất cài đặt van an toàn là: 143 + 10% = 157 bar 10 143 bar Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Áp suất gần áp suất lớn bơm, thực tế phải chọn bơm có cơng suất cao hơn, áp suất đạt 210 bar hay sử dụng xylanh tiêu chuẩn lớn Trong trường hợp tiếp theo, áp suất làm việc thấp có lưu lượng lớn Vậy van lưu lượng cho thấy tính chất mà xylanh hành trình tiến, lưu lượng dư tràn qua van an toàn c) Tiết lưu đường với vận tốc duỗi 0,5m/phút Từ TH1, ta có thơng số sau: D = 100 mm, d = 70 mm A = 7,85.105 m2, a = 4.105 m2 Áp suất gây tải tiến = 127 bar Áp suất gây tải lùi = 25 bar Lưu lượng bơm = 20 l/ph Lưu lượng cần cho trình tiến xylanh = 3,93 l/ph Áp suất yêu cầu bơm trình lùi: pp retract−= + + + + =252.2 32 37 bar Áp suất bơm trình tiến: pp extend− =127+ 2.1/ 2+10.1/ 2+ + =2 138 bar Áp suất cài đặt van an toàn là: 138 + 10% = 152 bar 1.12 Bài tập 12 Một vật có khối lượng 2000kg phải gia tốc theo phương nghiêng 300 đến vận tốc 1m/s khoảng cách 50mm Hệ số ma sát tải bề mặt làm việc 0,15 Tính đường kính piston cần thiết để gia tốc vật nặng áp suất tối đa cửa vào xylanh 100bar Giả sử tổn thất áp suất piston 5bar áp suất cửa xylanh bar tỉ lệ diện tích tiết diện piston 2:1 Giải: 11 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Gia tốc vật là: a= v2 −v02 = =10 m s/ 2s 2.0,05 Lực ma sát tác dụng lên vật: Fms = N.=M gcos  = 2000.9,81.cos30 0,15o= 2548,7N Áp dụng định luật II Newton cho vật, ta có: F − −FmsPsin = Ma => F = +FmsPsin +Ma = 2548,7+2000.9,81.sin30o +2000.10 =32358,7N Áp suất ngõ vào thực: p1 =100− =595 bar Áp dụng định luật II Newton cho piston, ta có: p A1 − p a2 = F A p A p1 − =F F 32358,7 m = 3479,43 mm2 −3 A= p1 − = 3,47943.10 p2 95.10 − 12 1.4.105 = Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén 2 Đường kính piston: D= d= 4A  4a  = = 4.3479,43  4.3479,43 .2 = 66,56 mm = 47,06 mm Chọn đường kính piston theo tiêu chuẩn D = 80 mm, d = 56 mm 1.13 Bài tập 13 Cho mạch thuỷ lực sơ đồ Xy lanh có đường kính piston 100mm đường kính cần 70mm Tải trọng tối đa cần piston 2000N Giả sử tổn thất áp suất van phân phối bar, tổn thất áp suất piston 5bar Tính áp suất cài đặt van an toàn Giải: Gọi áp suất cài đặt van an toàn p bar Áp suất cửa dầu xylanh p bar Áp suất lớn xylanh p – – bar Cân lực piston, ta có: 13 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén p A1 − p a2 = F (p− −45).10  (D d − ) D2 −p.10  = 2000 4 p = 23,56 bar Vậy áp suất cài đặt van tràn p = 23,56 10%.23,+56 = 25,92 bar 2 II CHƯƠNG 2: KHÍ NÉN 2.1 Bài tập Một bình chứa khơng khí tích 6m3 phải nạp đầy với khơng khí nén để đạt áp suất tối đalà 900kPa (9bar) Tính thể tích lượng khơng khí tự khí máy nén khí bơm vào bình chứa (Cho áp suất khí 1,013bar) Giải: pV pV1 = 22 pV1 9,6 53,3 (m3) => V2 = = p2 = 1,013 2.2 Bài tập Một cấu dẫn động khí nén tác dụng kép dùng để kẹp chi tiết máy cắt kim loại Cơ cấu dẫn động có đường kính piston 125mm Lực kẹp tính tốn theo u cầu 6000N Áp suất tối thiểu hệ thống để đạt lực kẹp bao nhiêu? Cho biết mát ma sát 5% Giải: Áp suất tối thiểu hệ thống để đạt lực kẹp 6000N: F 4F p== 4.6000 = (125.10− = 488923 (Pa) 14 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén A  .d 2) Vì mát ma sát 5% nên áp suất tối thiểu hệ thống để đạt lực p 488923 kẹp thực tế là: p = = = 514656 (Pa)  5,15 (bar) 95% 95% 2.3 Bài tập Hãy tính lực đẩy co vào cấu dẫn động tuyến tính tác dụng kép, có đường kính piston 100mm đường kính cần 25mm Áp suất tối thiểu hệ thống 500kPa (5bar) Cho biết mát ma sát bên 12% so với lực đẩy lý thuyết Giải: Lực đẩy ra: F1tt =F1lt.(100−12)% =pA 1.88% =p D2 88%  100 102 = 500.10 88% = 3456 (N) −6 Lực co vào:  (D d2 − 2) F2tt =F2lt.(100−12)% =pA 2.88% =p .88% = 500.10 3 (1002 − 25 ).102 −6 88% = 3240 (N) 2.4 Bài tập Một cấu dẫn động tuyến tính khí nén phải nâng chậm bệ đỡ với tải trọng đặt bên Bệ đỡ tải trọng có khối lượng 660kg Áp suất tối thiểu hệ thống điều chỉnh van giảm áp phận cung cấp khơng khí 600kPa Mất mát ma sát bên 12% Tính tốn chọn xy lanh đủ khả nâng tải (Bỏ qua lực quán tính) Giải: 15 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Lực đẩy thực tế xi lanh để nâng tải: F Ftt = lt.88 =pA.88% =p D . 2.88% Đường kính tối thiểu xi lanh đủ để nâng tải: 4Ftt  D 4mg = p .88 % 4.660.9,81 = p .88 % 0,12495 (m) = 600.10 883 % Như vậy, ta chọn đường kính xi lanh theo tiêu chuẩn 125mm 2.5 Bài tập Một cấu dẫn động tuyến tính khí nén phải đẩy kiện hàng lên cầu dốc để đưa vào băng chuyền phân loại Đoạn dốc có độ nghiêng 50 Hệ số ma sát 0,1 khối lượng kiện hàng 130kg Cơ cấu giảm chấn khí nén với khoảng hành trình giảm chấn 0,028m, gia tốc khối lượng phải xảy khoảng hành trình giảm chấn phải đạt đến tốc độ ổn định 0,5m/s Áp suất tối thiểu hệ thống 6bar Hãy tính: Lực đẩy tổng cộng tất ngoại lực tác dụng lên cấu Đường kính piston hành trình duỗi mát bên ma sát 12% Giải: = 50o; = 0,1; m=130 (kg v); = 0,5 (m s s/ ); = 0,028 (m) v2 16 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Fms = mgcos ;P mgx = sin;Fa =ma m= 2s Lực đẩy tổng cộng tất ngoại lực tác dụng lên cấu: Ftong =Fms + +Px Fa v2 = mg cos +mg sin+m 2s o 130.9,81.sin50o +130 0,52 =1639,3 (N) = 0,1.130.9,81.cos50 + 2.0,028 Lực đẩy thực tế xi lanh để đẩy tải: F Ftt = lt.88 =pA.88% =p D . 2.88% Đường kính tối thiểu piston đủ để đẩy tải (trong hành trình duỗi ra): 4Ftt  D 4.1639,3 0,06287 (m) == = p .88 % 6.10 885 % Như vậy, ta chọn đường kính piston theo tiêu chuẩn 63 mm 2.6 Bài tập Thiết kế mạch khí nén tự động hoạt động theo chu trình sau: A+, B+, A-, C+, C-, B- Bài làm: Chia tầng điều khiển: 17 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Bảng tín hiệu điều khiển xi lanh: I II III IV V VI A+ B+ A- C+ C- B- T1 T1xS2 T2 T2xS1 T3 T3xS5 Bảng tín hiệu điều khiển tầng: T1 T2 T3 E1 = StartxT3xS3 E2 = T1xS4 E3 = T2xS6 Mạch khí nén: 2.7 Bài tập Thiết kế mạch khí nén tự động để thực cơng việc sau: (Xylanh B gắn vào cần xylanh A) Xylanh B hạ xuống gắp chi tiết ống Ventury (V) vị trí 18 Bài tập lớn Kỹ thuật Thủy Lực khí nén Xylanh A đẩy xylanh B đến vị trí nhả chi tiết Sơ đồ làm việc sau: B+, (V+), B-, A+, B+, (V-), B-, A- Chia tầng điều khiển: Bảng tín hiệu điều khiển xylanh: I II III IV V VI VII VIII B+ V+ B- A+ B+ V- B- A- T1 T1xS4 T2 T2xS3 T3 T3xS4 T4 T4xS3 Bảng tín hiệu điều khiển tầng: T1 T2 T3 T4 E1 = StartxT4xS1 E2 = T1xS6 E3 = T2xS2 E4 = T3xS5 Mạch khí nén: 19