THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay Nhữngnăm trở lại đây, bên cạnh sự phát triển của các nghành tự động hóa, kỹ thuật điệntử, kỹ thuật nhiệt… thì kỹ thuật thủy khí ngày càng có ý nghĩa và đóng vai trò quantrọng trong các hệ truyền động và điều khiển Điển hình như lĩnh vực chế tạo máy,kỹ thuật ô tô và kỹ thuật tàu thủy – máy công trình Truyền động thủy lực và khí nénđang ngày một quan trọng và có tầm ảnh hưởng lớn

Thời gian qua, sau khi đã và đang học hai môn chính của thủy khí là Thủy khí –Máy thủy khí và Truyền động Thủy khí động lực Đến kỳ học này em được giaonhiệm vụ làm Đồ án Truyền động Thủy khí động lực với đề tài cụ thể là: “Tính toánhệ thống truyền động thủy lực của máy xúc một gầu truyền động thủy lực di chuyểnbánh xích” Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên nghànhcơ khí động lực, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thứcđã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của nghành

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệuvà làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuynhiên, vì bản thân mới bắt đầu làm đồ án còn ít kinh nghiệm cho nên không thểkhông có những thiếu sót trong quá trình làm đồ án này

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Minh Đức đãtận tâm nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đồ án của mình.Em rất mong muốn nhận dược sự xem xét và chỉ dẫn của quý thầy để ngày một cókiến thức sâu hơn, vững vàng hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Đà nẵng, tháng 07 năm 2019

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Ngọc Trí

MỤC LỤC

2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC CỦA HỆ THỐNG 4

2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thủy lực: 4

2.2 Sơ đồ truyền lực và nguyên lý làm việc của hệ thống: 53 TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO HỆ THỐNG 6

3.1 Các thông số hình học của máy xúc mẫu KOMAT’SU PC 70-8: 6

3.2 Các thông số về động cơ của máy xúc mẫu KOMAT’SU PC 70-8: 7

2 TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH LỰC TRONG XI LANH CẦN, TAY CẦN VÀ GẦU

3 TÍNH TOÁN THỦY LỰC CHO XI LANH CÁC CƠ CẤU CẦN, TAY CẦN VÀ

3.2 Tính chọn xi lanh điều khiển cơ cấu cần (1 xi lanh cần): 12

5 TÍNH, CHỌN ĐƯỜNG ỐNG VÀ CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG 19

7 ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA THIẾT KẾ 31

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

PHẦN I: TỔNG QUAN CHUNG VỀ MÁY XÚC1 TỔNG QUAN VỀ MÁY XÚC

1.1 Khái quát về máy xúc:

Máy xúc, còn gọi là máy đào, là một loại máy móc cơ giới sử dụng đa năng,chủ yếu dùng trong xây dựng, khai khoáng Máy xúc là một loại máy đào một gầu, cóthể coi là "xẻng máy", dùng một cơ cấu tay cần gắn liền với gầu đào, thực hiện thaotác đào, xúc, múc, đổ đất đá rời hay liền thổ và các loại khoáng sản, vật liệu xâydựng rời (có thể vận chuyển trong cự ly ngắn hoặc rất ngắn) Trong xây dựng, máyxúc là một loại máy xây dựng chính trong công tác đất, ngoài ra nó còn tham gia vàocác công tác giải phóng mặt bằng, phá dỡ công trình, bốc xếp vận chuyển vật liệu

Hệ thống dẫn động rất đa dạng như dẫn động bằng điện, cơ khí, thủy lực haykết hợp cả cơ khí và thủy lực… dựa vào môi trường làm việc và yêu cầu công việc củamáy

Máy xúc được sử dụng rộng rãi trong các công trường, bến bãi vật liệu xâydựng

Hiện nay trên thị trường có nhiều hãng sản xuất máy xúc như: KOMATSU,LIUGONG, DOOSAN, HITACHI, KOBELCO…

1.2 Cấu tạo chung của máy xúc:

Cấu tạo chung của máy xúc gồm có: hệ thống truyền lực, cơ cấu di chuyển, cơcấu quay, hệ thống điều khiển, hệ thống xi lanh thủy lực điều khiển các cơ cấu cần,tay gầu và gầu, hệ thống đèn báo sáng và đèn tín hiệu…

Khi máy xúc làm việc, tải trọng tập trung ở phía trước của máy xúc nên để cânbằng và ổn định với mô men tải trọng tạo ra, phía sau máy xúc có bố trí đối trọng

Phần ca bin thoáng để đảm bảo tầm quan sát trong quá trình làm việc củangười điều khiển, vận hành

1 Gầu2 Tay cần3 Xi lanh điều khiển gầu4 Xi lanh điều khiển tay cần5 Cần

6 Cabin điều khiển

7 Cabin máy8 Đối trọng9 Bàn quay10 Ổ quay11 Xích12 Xi lanh điều khiển cần

2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC CỦA HỆ THỐNG

2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thủy lực:

Hệ thống truyền động thủy lực có cấu trúc được mô tả thông qua sơ đồ bên dưới baogồm các thành phần chính sau:

TẢI TRỌNG

XY LANH THỦY LỰC

VAN PHÂN PHỐI

Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thủy lực

2.2 Sơ đồ truyền lực và nguyên lý làm việc của hệ thống:

❖ Sơ đồ mạch truyền động thủy lực của hệ thống:

Mạch thủy lực của máy xúc1 Thùng dầu thủy lực 6 Van an toàn 11 Động cơ thủy lực di

chuyển trái2 Bầu lọc dầu thủy lực 7 Van phân phối kiểu 4/3 12 Động cơ thủy lực di

THÙNG DẦUĐỘNG CƠ

chuyển phải3 Cụm 2 bơm thủy lực

kép

8 Xi lanh điều khiển gầu 13 Động cơ thủy lực

quay toa4 Động cơ dẫn động 9 Xi lanh điều khiển tay

gầu

14 Van tiết lưu 2 chiềuđiều chỉnh được

5 Van một chiều 10 Xi lanh điều khiển cần 15 Cụm van điều tốc

❖ Nguyên lý làm việc của hệ thống:Khi động cơ hoạt động, công suất từ động cơ (4) được truyền qua bánh đà đến bơmthuỷ lực (3) Bơm thuỷ lực làm việc, hút dầu từ thùng dầu thủy lực (1) thông quađường ống hút và đẩy đến các cụm van phân phối (7) kiểu 4/3 thông qua đường ốngđẩy

Ở chế độ không tải, các van phân phối (7) ở chế độ đóng, dầu đi qua đường hồi củavan phân phối theo đường ống và qua bầu lọc dầu thủy lực (2) sau đó về lại thùngdầu

Ở chế độ làm việc, người vận hành sẽ tác động đến các cần điều khiển trên ca bin đểđiều khiển đóng mở van và dòng dầu đi vào các cơ cấu chấp hành như xi lanh điềukhiển cần (10), tay cần (9) và gầu (8) cũng như động cơ thủy lực cơ cấu di chuyển(11), (12) và cơ cấu quay toa (13) Khi áp suất làm việc trong đường ống đẩy hay cơcấu chấp hành bị quá tải các van an toàn (6) được mở ra tương ứng và cho dòng dầuđó về lại thùng dầu Van một chiều (5) có nhiệm vụ ngăn cho dòng dầu không đi theochiều ngược lại Các cụm van điều tốc (15) có nhiệm vụ điều chỉnh và giữ cho áp suấtlàm việc trong cơ cấu chấp hành luôn không đổi Các van tiết lưu (14) có nhiệm vụđiều tiết lưu lượng dầu đi vào cơ cấu chấp hành để phù hợp với tải rọng công tác

3 TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CHO HỆ THỐNG

3.1 Các thông số hình học của máy xúc mẫu KOMAT’SU PC 70-8:

Bảng 1:

1750 mm

3.2 Các thông số về động cơ của máy xúc mẫu KOMAT’SU PC 70-8:

● Kiểu động cơ: Komat’su SAA4D95LE-5● Loại động cơ: Động cơ 4 kỳ, làm mát bằng nước, phun nhiên liệu trực tiếp.● Số xylanh: 4

● Đường kính xi lanh: 95 mm.● Hành trình của piston : 115 mm.● Công suất: 50,7 kW (68 hp)● Tốc độ quay của trục động cơ: 1950 vòng /phút.● Tốc độ di chuyển: Số lớn nhất : 4,5 km/h Số thấp : 2,8 km/h

● Tốc độ quay: 11 vòng/phútKhối lượng của máy cơ sở khi làm việc, tay cần dài 1650 mm, gầu nghịch SAEdung tích gầu q = 0,37 m3

, dầu bôi trơn, nước làm mát, thùng đầy nhiên liệu, thợ vậnhành và các thiết bị tiêu chuẩn với loại xích 450 mm là mm = 6590 kg

Lấy g = 10 m/s2

, trọng lượng máy xúc mẫu là Gm = 65,9 kN

PHẦN II: TÍNH TOÁN CHUNG

❖ Máy xúc thiết kế với các thông số cho trước:● Dung tích gầu: V = q = 0,35 m3

● Áp suất làm việc của dầu: p = 32 MPa

1 XÁC ĐỊNH, LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY

Trọng lượng của các bộ phận trên máy xúc tính theo % so với trọng lượng làmviệc của máy, với Gm = 65,9 kN Theo trang 88 TL [1]

Bảng 3:

Tên các bộ phận chính Tỷ lệ

(%)

Trọng lượng(kN)

Trọnglượngchọn sơ

Bàn quay và các cơ cấu: 36 – 39 23,724 – 25,701 24,713Động cơ và khung máy 6,0 – 7,0 3,954 – 4,613 4,284Thiết bị thủy lực và thiết bị phụ 6,0 – 10,0 3,954 – 6,590 5,272

2 TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH LỰC TRONG XI LANH CẦN, TAY CẦN VÀ GẦU CỦAMÁY XÚC THIẾT KẾ

2.1 Xác định lực cản cắt đất P01:

Xác định chiều dày phoi cắt lớn nhất: Cmax = Bg∗Hn∗Ktq = 0,68∗4,1∗1,30,35 = 0,097 mTrong đó:

● q: Dung tích gầu máy xúc thiết kế (m3), q = 0,35 m3.● Bg: Bề rộng gầu máy xúc thiết kế (m), Bg = 0,680 m.● Hn: Độ đào sâu tối đa (m), Hn = 4,100 m

● Kt: Hệ số tơi của nền đất cấp I, chọn Kt = 1,3 theo trang 16 TL[1].P01 = K1*Bg*Cmax = 30*0,68*0,097= 1,970 kN

Với K1 là hệ số cản cắt riêng của nền đất cấp I, chọn K1 = 3 N/cm2

= 30 kN/m2

theo bảng số liệu trang 29 TL [1]

2.2 Xác định lực trong xi lanh tay cần Ptc:

Trong quá trình xúc đất từ vị trí I đến II thì lực Ptc sẽ biến thiên từ giá trị 0 đếngiá trị lớm nhất lực Ptc lớn nhất khi răng gầu gần kết thúc quá trình cắt đất và cóCmax

Phương trình cân bằng mô men của hệ gầu và tay cần đối với khớp O2:∑ MO2 = 0 ⬄ P P01*r01 + Gg+đ*rg+đ + Gtc*r’tc - Ptc*rtc = 0

=> Ptc = P 01∗r 01+G g+đ∗r g+ đ +G tc∗r ’tcr tc

= 1,970∗2,427+6,768∗1,909+2,307∗0,5500,413 = 45,984 kN Với Gg+đ : Trọng lượng gầu và đất, Gg+đ = Gg + Gđ = 2,673 + 4,095 = 6,768 kN

Trọng lượng gầu: Gg = 2,673 kN Trọng lượng đất: Gđ = γ.V = 11,7*0,35 = 4,095 kN γ là trọng lượng riêng của đất, chọn γ = 11,7 kN/m3

theo trang 16 TL [1] V là dung tích gầu máy thiết kế, V = q = 0,35 m3

Gtc: Trọng lượng tay cần, Gtc = 2,307 kNr01, rg+đ, r’tc, rtc là cánh tay đòn tương ứng của các lực tới tâm O2

r01 =1,650 + 0,680 + 0,097 = 2,427 mrg+đ = 1,650+ 13*(0,68+0,097)= 1,909 mr’tc = 13*1,650 = 0,550 m

r’g+đ =12*2,765 + 23*(0,680 + 0,097) = 1,900 m r’’tc = 12*2,765 + (0,680 + 0,097)+32*1,65 = 3,259 mr’c = 23*3,91= 2,607 m rc = 0,6 m

2.4 Xác định lực trong xi lanh quay gầu xúc Pqg:

Pqg được xác định trong trường hợp xi lanh cần và xi lanh tay cần cố định.Nghĩa là khớp O2 cố định Gầu tiến hành cắt đất và tích đất vào gầu từ vị trí I đến II,khi răng gầu kết thúc quá trình cắt đất thì chiều dày phoi có giá trị lớn nhất và rănggầu ngang với khớp O2

Ta có: C’max = Bg∗Htđ∗Ktq = 0,680∗3,505∗1,30,35 = 0,113 mVới Htđ là chiều sâu tầng xúc, Htđ = 3,505 m

Ta xác định được P01: P01 = K1*Bg*C’max = 30*0,680*0,113 = 2,304 kNPqg=P 01∗r 01+G g+đ∗r g+ đr qg = 2.304∗2,427+6,768∗1,9090,5 = 37,022 kNVới rqg = 0,5 m

3 TÍNH TOÁN THỦY LỰC CHO XI LANH CÁC CƠ CẤU CẦN, TAY CẦN VÀ GẦU

3.1 Giới thiệu xi lanh thủy lực:

Xi lanh tác dụng đơn chỉ được dầu thủy lực tác dộng vào một phía để thựchiện hành trình làm việc Hành trình trả về được thực hiện nhờ lực cơ học như lực lòxo, trọng lượng piston hay thường gặp nhất là trọng lượng của thiết bị…

Xi lanh thủy lực nhận năng lượng từ dầu thủy lực để truyền động đến bộ phậnlàm việc

1, 10: Thân và ắc phía đầu cần xi lanh.2: Vú mỡ

8: Vít khóa9: Bạc đạn tự xoay (bạc đạn nhào)6, 7, 11, 12: Bích của xi lanh thủy lực phía không cần gồm các lỗ gắn ống cấp dầu,giảm chấn, phốt làm kín giữa thân xi lanh và bích bu lông

4, 5, 19, 20: Mặt bích phần đầu cần xi lanh thủy lực gồm phốt làm kín giữa cầnpiston và phần ắc có cần, bạc lót dẫn hướng, lỗ vào ống dầu

13,14,15,16: Piston – đây là bộ phận chính của xi lanh thủy lực để ngăn cách giữa haikhoang có áp và không áp Bao gồm thân piston và các phốt bằng cao su vừa chịu ápsuất vừa làm kín cả hai chiều với vỏ xi lanh, lót giữa hai phốt bằng vật liệu chịu mòn

Thường thì chiều dài nhỏ nhất của thân piston sẽ lớn hơn 2/3 kích thước đường kínhtrong lòng xi lanh.

21: Cần Piston được làm thừ thép crom, được luyện cứng, bề mặt được mài tròn,mạ một lớp crom chống rỉ

18: Vỏ ngoài xi lanh thủy lực, thường được chế tạo bằng thép hợp kim dẻo và bền,chịu được mài mòn và nhiệt độ

3.1 Phân tích lực tác dụng lên xi lanh:

Ft là tải trọng tác dụng lên cần pistonFmsc: lực ma sát giữa cần piston và phốtlàm kín

Fqt: lực quán tínhD: đường kính trong của xi lanhd: đường kính cần piston

S1: diện tích mặt piston buồng công tácS2: diện tích mặt piston buồng trảQ1,p1: lưu lượng và áp suất dầu buồngcông tác

Q2,p2: lưu lượng và áp suất dầu buồng trảPhương trình cân bằng lực:

p1*S1 – p2*S2 – F = p1*S1 – p2*S2 – Ft – Fqt – Fms – Gpt =0

3.2 Tính chọn xi lanh điều khiển cơ cấu cần (1 xi lanh cần):

Ta có: p1*S1 – p2*S2 – F = p1*S1 – p2*S2 – Ft – Fms – Fqt – Gpt = 0 (*)Trong đó:

● Ft là tải trọng tác dụng lên cần piston, Ft = Pc/ŋck = 55440/0.91= 60923 N Với ŋck là hiệu suất cơ khí của xi lanh thủy lực, ŋck = 0.91 Chọn theo số liệu trang

53 TL [6].● Fqt là lực quán tính, Fqt = m*dvdt mà ta có dvdt = 0 vì trong mỗi lần nâng hạ cần

vận tốc piston là không đổi nên suy ra Fqt = 0.● Fms là tổng lực ma sát thủy lực bao gồm ma sát giữa piston và thành xi lanh,

giữa cần piston và phốt làm kín Để đơn giản tính toán ta chọn: Fms = 10% Ft

theo trang 246 TL [2].Fms = 10%*60923 = 6092 N

● Gpt là trọng lượng của piston, Gpt = 890 N

Vậy F = Ft + Fqt + Fms + Gpt = 60923 + 6092 + 890 = 67905 NÁp suất buồng công tác p1, p1 = 32*106

Pa = 32*106

N/m2

Áp suất buồng đối áp p2, chọn p2 = 5 at = 490500 N/m2

Diện tích mặt piston buồng công tác S1, S1 = π∗D

p 1 ¿

=

Fp 1+p

p 1∗4 −¿

p 2∗π∗0,49∗D2p 1∗4 ⬄ P

Fp 1=

π∗D2

p 2∗π∗D2p 1∗4 +

p 2∗π∗0,49∗D2p 1∗4

⬄ P p 1F =π∗D2

4 ∗¿ + p 2∗0,49p 1 ) Ta suy ra đường kính trong của xi lanh: D = 2*√❑ = 2*√❑

= 2*√❑ = 0,052 m = 52 mmTheo catalogue xi lanh mẫu ta chọn xi lanh kiểu AMP5-RB có D = 60 mm, d = 40mm, hành trình piston H = 100 mm

Về nguyên tắc vận tốc của cần piston không vượt quá v = 0,5 m/s vì lý do làmkín của phần gioăng phớt và đảm bảo an toàn làm việc ta chọn vận tốc vmax = 0,2 m/s.Lưu lượng cung cấp cho một xi lanh cơ cấu cần (xem như làm kín bằng đệm hay caosu, khe hở rất nhỏ nên bỏ qua rò rỉ nghĩa là ŋQxl = 1):

Q1 = (vmax*S1)/ ŋQxl = 0,2*2,827*10-3

= 0,565*10-3

m3

/s = 0,565 l/sCông suất của xi lanh cơ cấu cần:

● Ft là tải trọng tác dụng lên cần piston, Ft = Pc/ŋck = 45984/0.91 = 50531 N Với ŋck là hiệu suất cơ khí của xi lanh thủy lực, ŋck = 0.91 Chọn theo số liệu trang

53 TL [6].● Fqt là lực quán tính, Fqt = m*dvdt mà ta có dvdt = 0 vì trong mỗi lần điều khiển tay

cần vận tốc piston là không đổi nên suy ra Fqt = 0.● Fms là tổng lực ma sát thủy lực bao gồm ma sát giữa piston và thành xi lanh,

giữa cần piston và phốt làm kín Để đơn giản tính toán ta chọn: Fms = 10% Ft

theo trang 246 TL [2].Fms = 10%*50531 = 5053 N

● Gpt là trọng lượng của piston, vì xi lanh coi như nằm ngang nên ta bỏ qua Gpt.Vậy F = Ft + Fqt + Fms + Gpt = 50531 + 5053 = 55584 N

Áp suất buồng công tác p1, p1 = 32*106

Pa = 32*106

N/m2

Áp suất buồng đối áp p2, chọn p2 = 5 at = 490500 N/m2

Diện tích mặt piston buồng công tác S1, S1 = π∗D

p 1 ¿

=

Fp 1+p

0,3 - 0,35 0,5 0,7Ta chọn d/D = 0,7 => d = 0,7*D

(**) ⬄ P π∗D2

4 =

Fp 1+

4 ∗¿ + p 2∗0,49p 1 ) Ta suy ra đường kính trong của xi lanh: D = 2*√❑ = 2*√❑

= 2*√❑ = 0,0470 m = 47 mmTheo catalogue xi lanh mẫu ta chọn xi lanh kiểu AMP5-RB có D = 50 mm, d = 35mm, hành trình piston H = 100 mm

Về nguyên tắc vận tốc của cần piston không vượt quá v = 0,5 m/s vì lý do làmkín của phần gioăng phớt và đảm bảo an toàn làm việc ta chọn vận tốc vmax = 0,2 m/s.Lưu lượng cung cấp cho một xi lanh cơ cấu tay cần (xem như làm kín bằng đệm haycao su, khe hở rất nhỏ nên bỏ qua rò rỉ nghĩa là ŋQxl = 1):

Q1 = (vmax*S1)/ ŋQxl = 0,2*1,963*10-3

= 0,393*10-3

m3

/s = 0,393 l/sCông suất của xi lanh cơ cấu tay cần:

● Ft là tải trọng tác dụng lên cần piston, Ft = Pqg/ ŋck = 37022/0.91 = 40683 N Với ŋck là hiệu suất cơ khí của xi lanh thủy lực, ŋck = 0.91 Chọn theo số liệu trang

53 TL [6].● Fqt là lực quán tính, Fqt = m*dvdt mà ta có dvdt = 0 vì trong mỗi lần điều khiển

gầu vận tốc piston là không đổi nên suy ra Fqt = 0

● Fms là tổng lực ma sát thủy lực bao gồm ma sát giữa piston và thành xi lanh,giữa cần piston và phốt làm kín Để đơn giản tính toán ta chọn: Fms = 10% Ft

theo trang 246 TL [2]Fms = 10%*40683 = 4068 N

● Gpt là trọng lượng của piston, vì xi lanh coi như nằm ngang nên ta bỏ qua Gpt.Vậy F = Ft + Fqt + Fms + Gpt = 40683 + 4068 = 44751 N

Áp suất buồng công tác p1, p1 = 32*106

Pa = 32*106

N/m2

Áp suất buồng đối áp p2, chọn p2 = 5 at = 490500 N/m2

Diện tích mặt piston buồng công tác S1, S1 = π∗D

p 1 ¿

=

Fp 1+p

p 1∗4 −¿

p 2∗π∗0,49∗D2p 1∗4 ⬄ P

Fp 1=

π∗D2

p 2∗π∗D2p 1∗4 +

p 2∗π∗0,49∗D2p 1∗4

⬄ P p 1F =π∗D2

4 ∗¿ + p 2∗0,49p 1 ) Ta suy ra đường kính trong của xi lanh: D = 2*√❑ = 2*√❑

= 2*√❑ = 0,0424 m = 42,4 mmTheo catalogue xi lanh mẫu ta chọn xi lanh kiểu AMP5-RB có D = 50 mm, d = 35mm, hành trình piston H = 100 mm