Trong bài luận văn này, nhóm tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế các chi tiết trong hệ thống hệ thống cơ khí, thủy lực và hệ thống điện điều khiển bàn nâng cắt kéo với tả
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu bàn nâng cắt kéo
Bàn nâng cắt kéo 2 tầng là cầu nâng dạng kéo bốn xylanh (2 xylanh chính và
Bàn nâng ô tô được thiết kế với 2 xylanh phụ, dễ dàng lắp đặt trên bề mặt, phù hợp cho các phương tiện nhỏ và vừa có tải trọng dưới 3 tấn, chủ yếu phục vụ sửa chữa và bảo dưỡng ô tô Cấu tạo của bàn nâng gồm 3 phần chính: cơ cấu cơ khí, hệ thống thủy lực và hệ thống điện, tất cả đều có mối liên hệ chặt chẽ Cơ cấu cơ khí đóng vai trò là khung sườn vững chắc, chịu đựng lực và moment trong quá trình nâng hạ Hệ thống thủy lực tạo ra lực đẩy để nâng bàn thông qua cơ cấu cơ khí, trong khi hệ thống điện hoạt động như bộ não điều khiển trung tâm, cho phép thao tác đơn giản chỉ bằng một nút nhấn.
Hình 2 1: Bàn nâng cắt kéo hai tầng
Hình 2 2: Cấu tạo của bàn nâng cắt kéo
Hệ thống thủy lực là công nghệ quan trọng trong nhiều ngành chế tạo máy hiện đại và công nghiệp lắp ráp, đồng thời cũng được ứng dụng rộng rãi trong hàng hải, khai thác mỏ và xe chuyên dụng Trong các hệ thống này, chất lỏng có áp suất đóng vai trò trung gian, truyền lực và chuyển động cho các thiết bị công nghệ.
Hệ thống thủy lực của bàn nâng hoạt động bằng cách biến đổi áp lực dầu thủy lực, được tạo ra từ bơm thủy lực thông qua chuyển động quay của motor bơm Quá trình này tạo ra lực cơ học đẩy piston, giúp bàn nâng thực hiện chức năng nâng hạ một cách hiệu quả.
Hình 2 3: Mạch thủy của lực bàn nâng cắt kéo [13]
Xylanh chính chuyển đổi áp suất dầu thành năng lượng cơ học, giúp piston di chuyển về phía trước và điều khiển cơ cấu cơ khí, từ đó nâng hạ bàn nâng.
Xylanh phụ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng tải cùng với xylanh chính, đồng thời giúp duy trì sự cân bằng cho hai bên bàn nâng thông qua các kết cấu liên kết cơ khí.
Cơ cấu phân phối giúp điều chỉnh hướng dòng chảy tại các nút của hệ thống ống, phân phối dầu thủy lực theo quy luật nhất định Điều này cho phép xác định và điều khiển chiều chuyển động của bộ phận chấp hành một cách hiệu quả.
Trong hệ thống dầu thủy lực từ hai xylanh chính trước khi chảy về bình chứa phải đi qua van phân phối 2/2
Van phân phối trong hệ thống được sử dụng là van điện từ thường đóng 2/2, bao gồm ba bộ phận chính: thân van, con trượt và nam châm điện Van hoạt động bằng cách điều khiển dòng điện để kích hoạt nam châm, từ đó thay đổi trạng thái đóng mở của van.
Hình 2 5: Van phân phối 2/2 [FluidSIM]
Van tiết lưu trong hệ thống thủy lực có chức năng điều chỉnh lưu lượng dòng chảy bằng cách xoay núm vặn, từ đó kiểm soát vận tốc làm việc của các xylanh.
Hình 2 6: Van tiết lưu [FluidSIM]
Van an toàn là thiết bị điều khiển áp suất, tự động đóng khi áp suất trong hệ thống đạt mức cho phép Khi áp suất vượt quá tiêu chuẩn, van sẽ mở, cho phép dầu thủy lực chảy về bình chứa, duy trì áp suất ổn định Thường được lắp đặt giữa bơm và van một chiều trong đường dầu chính, van an toàn được điều chỉnh thông qua việc thay đổi độ nén của lò xo.
Hình 2 7: Cấu tạo van an toàn [FluidSIM]
Van một chiều cho phép chất lỏng chảy theo một hướng nhất định và bao gồm ba bộ phận chính: vỏ van, nắp van và lò xo giữ nắp van Để van hoạt động hiệu quả, cần có một lực cản tối thiểu để chất lỏng có thể chảy qua mà không gây tổn thất năng lượng lớn Lò xo giữ cần có độ cứng nhỏ để ép sát nắp van vào đế van, đồng thời giảm thiểu lực ma sát giữa piston và vỏ van Áp lực của chất lỏng sẽ giữ nắp van chặt vào đế, ngăn không cho chất lỏng chảy ngược.
Hình 2 8: Cấu tạo van một chiều [7]
Bơm có chức năng chuyển đổi cơ năng thành áp năng, thường được sử dụng trong các hệ thống thủy lực với bơm thể tích để thay đổi thể tích buồng làm việc Khi thể tích buồng tăng, bơm hút dầu, và khi thể tích giảm, bơm nén và đẩy dầu Bơm bánh răng là loại bơm phổ biến nhất trong hệ thống này do cấu trúc đơn giản và dễ chế tạo Có hai loại bánh răng: ăn khớp ngoài và ăn khớp trong, với các kiểu răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V Bánh răng ăn khớp ngoài được ưa chuộng hơn vì dễ sản xuất, trong khi bánh răng ăn khớp trong có kích thước nhỏ gọn hơn.
Hình 2 9: Cấu tạo bơm thủy lực bằng cơ cấu bánh răng [8]
Thùng dầu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thủy lực bằng cách cung cấp dầu, giúp giải nhiệt hiệu quả và tách khí khỏi dầu trước khi đưa vào chu trình mới.
Dầu thủy lực đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống thủy lực, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của các bộ phận trong hệ thống Năng lượng được truyền qua chất lỏng thủy lực, giúp điều khiển các bộ phận cơ cấu chấp hành.
Dầu thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng, làm mát và bôi trơn các bộ phận, giúp giảm ma sát và mài mòn, từ đó tăng tuổi thọ và độ bền cho linh kiện trong hệ thống Loại dầu thủy lực thường sử dụng trong hệ thống là dầu 10W40.
Hệ thống điện là bộ điều khiển trung tâm, bao gồm các linh kiện điện tử được kết nối để tạo thành một mạch điện hoàn chỉnh, từ đó điều khiển cơ cấu chấp hành.
Hình 2 11: Thùng điều khiển trung tâm
Hình 2 12: Bên trong bộ điều khiển
Bảng 2 1 Giới thiệu cụ thể từng loại linh kiện
Stt Tên linh kiện Công dụng Hình ảnh
Công tắc không duy trì Đóng ngắt dòng điện
2 Đèn báo Thông báo sự hoạt động của hệ thống
3 Máy biến thế Thay đổi hiệu điện thế từ 380v xuống 28v
4 Relay timer Đóng ngắt các tiếp điểm relay theo thời gian đã cài trên timer
Chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC)
6 Khởi động từ Đóng hoặc ngắt dòng điện khi có dòng điện chạy qua cuộn kích
7 Solenoid thủy lực Điều khiển van phân phối 2/2
8 Solenoid khí nén Điều khiển đóng mở van khí nén của cơ cấu “lock”
9 Cầu dao 3 pha Đóng ngắt dòng điện 3 pha
Chuyển hóa điện năng thành cơ năng thông qua cơ cấu bơm thủy lực để tạo ra áp suất cao đẩy piston
Phương pháp thiết kế hệ thống cơ khí
Cầu nâng cắt kéo bao gồm các chi tiết chính như bàn nâng, cánh tay cắt kéo, tấm sàn và chốt liên kết, yêu cầu tính toán các thông số cơ bản của từng chi tiết Phân tích điều kiện làm việc của các bộ phận này là cần thiết để chọn vật liệu phù hợp Sử dụng phần mềm Solidworks, chúng ta có thể hoàn thiện mô hình 3D của cầu nâng và thực hiện mô phỏng kiểm nghiệm bền Kết quả thu được sẽ cho phép xác định hệ số an toàn, từ đó đánh giá khả năng an toàn của hệ thống cơ khí khi vận hành với tải.
2.2.1 Cơ cấu cắt kéo Để tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu cắt kéo 2 tầng, chúng ta cần phải xét hai trường hợp: trường hợp cầu nâng ở vị trí thấp nhất và trường hợp cầu nâng ở vị trí nâng tối đa
Trường hợp 1: Cầu nâng ở vị trí thấp nhất
Hình 2 13: Sơ đồ tính toán các thông số hình học của cơ cấu cắt kéo khi ở vị trí thấp nhất
𝐻 𝑚𝑖𝑛 là chiều cao ban đầu của cầu nâng
𝑛 là số tầng của cầu nâng cắt kéo (𝑛 = 2)
D là chiều dài của một cánh tay cắt kéo
𝑋 𝜃𝑚𝑖𝑛 là khoảng cách giữa hai đầu cánh tay khi cầu nâng ở vị trí thấp nhất
𝜃 𝑚𝑖𝑛 là góc hợp bởi cánh tay cắt kéo và đường nằm ngang khi cầu nâng ở vị trí thấp nhất
Chiều cao ban đầu của một tầng cắt kéo:
Chiều dài của cánh tay cắt kéo
Khi tâm của các chốt thẳng hàng, bàn nâng sẽ không thể gập gọn lại, dẫn đến việc các cánh tay cắt kéo chồng lên nhau.
Để khắc phục tình trạng cánh tay cắt kéo chồng chéo lên nhau khi hạ cầu, chúng ta sẽ thiết kế lệch tâm cho chốt liên kết cánh tay cắt kéo.
Hình 2 15: Hình dạng cầu nâng với tâm chốt lệch
Gọi 𝐷 ′ là chiều dài cánh tay cắt kéo ban đầu (trường hợp các chốt đồng tâm) Vậy:
Chiều dài thiết kế của cánh tay cắt kéo
Trường hợp 2: Cầu nâng ở vị trí nâng tối đa
Hình 2 16: Sơ đồ tính toán các thông số hình học của cơ cấu cắt kéo khi ở vị trí cao nhất
𝐻 𝑚𝑎𝑥 là chiều cao tối đa của cầu nâng
𝑋 𝜃𝑚𝑎𝑥 là khoảng cách giữa hai đầu cánh tay khi cầu nâng ở vị trí cao nhất
𝑋 𝑡𝑟ượ𝑡 là khoảng dịch chuyển của con trượt
𝜃 𝑚𝑎𝑥 là góc hợp bởi cánh tay cắt kéo và trục x khi cầu nâng ở vị trí cao nhất
𝐷 ′ là chiều dài cánh tay cắt kéo ban đầu (trường hợp các chốt đồng tâm) Vậy:
Chiều cao ban đầu của một tầng cắt kéo:
Trong quá trình hoạt động của cầu nâng, cơ cấu cắt kéo chữ X đóng vai trò quan trọng khi liên tục thu nhỏ hoặc giãn ra để đưa bàn nâng đến vị trí mong muốn Những cánh tay cắt kéo này phải chịu uốn, kéo và nén liên tục, điều này có thể gây ra nứt gãy và biến dạng Do đó, việc bảo trì và kiểm tra định kỳ các cánh tay cắt kéo là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu suất của cầu nâng.
Hình 2 17: Cánh tay cắt kéo chịu tác dụng bởi lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến
L là trọng lượng của tải
Hình 2 18: Tiết diện mặt cắt ngang của cánh tay cắt kéo
Ta có: Ứng suất pháp:
𝑊 𝑥 (2.10) Đối với mặt cắt ngang hình chữ nhật: 𝑊 𝑥 = 𝑏.ℎ 2
A là diện tích mặt cắt ngang của cánh tay cắt kéo
Chiều dài cánh tay cắt kéo và tiết diện mặt cắt ngang của cánh tay có ảnh hưởng lớn đến độ an toàn của hệ thống cơ khí Một tiết diện mặt cắt ngang nhỏ sẽ dẫn đến việc tăng ứng suất pháp và ứng suất uốn Hơn nữa, việc tăng chiều dài cánh tay cũng làm gia tăng ứng suất uốn Do đó, việc lựa chọn vật liệu phù hợp để thiết kế là rất quan trọng.
Cánh tay cắt kéo cần đạt tiêu chuẩn về độ bền, độ cứng và độ ổn định Để đáp ứng những yêu cầu này, vật liệu chính được sử dụng trong thiết kế là thép không rỉ AISI.
Bảng 2 2 Đặc tính vật liệu của thép không rỉ AISI 316 [ANSYS] Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 252,1 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 565,1 MPa Vậy:
Diện tích của cánh tay 𝐴 = ℎ 𝑏 (2.12)
Thể tích của cánh tay 𝑉 = 𝐴 𝐷 (2.13)
Khối lượng của cánh tay cắt kéo 𝑚 𝑐𝑡 = 𝜌 𝑉 (2.14)
2.2.3 Bàn nâng Để có thể mang được tải lên bất kỳ độ cao nào, bàn nâng cần phải có đủ độ cứng vững để không bị biến dạng quá mức và mất đi hình dạng ban đầu Ngoài ra, độ bền cũng cần phải được đảm bảo, vì cầu nâng được sử dụng liên tục để phục vụ cho công việc bảo dưỡng và sửa chữa Đối với bàn nâng, chúng ta có thể sử dụng thép Carbon AISI 1020 [1]
Bảng 2 3 Đặc tính vật liệu của thép Carbon AISI 1020 [ANSYS] Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 293,5 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 393 MPa
Hơn nữa, khi thiết kế chọn chiều dài L và chiều rộng B của bàn nâng không được vượt quá chiều dài cơ sở và chiều rộng cơ sở của ô tô
Hình 2 19: Kích thước của bàn nâng
𝑉 1 là thể tích của mặt (1)
𝑉 2 là thể tích của mặt (2)
𝑉 3 là thể tích của mặt (3)
Thể tích của bàn nâng 𝑉 = 𝑉 1 + 2𝑉 2 + 2𝑉 3 (2.15)
Khối lượng của bàn nâng 𝑚 𝑏𝑛 = 𝜌 𝑉 (2.16)
2.3.4 Tấm sàn Đối với cầu nâng cắt kéo, tấm sàn được đặt trên mặt đất và chịu trọng lượng của tải thiết kế, bàn nâng và cánh tay cắt kéo Vì thế, yêu cầu vật liệu sử dụng cho tấm sàn cần phải có độ cứng vững cao để có thể hỗ trợ chắc chắn cho cấu trúc của
Cầu nâng được sản xuất từ vật liệu thép Carbon AISI 1020, đảm bảo độ bền và chất lượng Kích thước của tấm sàn được thiết kế đồng nhất với kích thước của bàn nâng, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng.
Hình 2 20: Kích thước của tấm sàn
𝐴 1 là diện tích của mặt (1)
𝐴 2 là diện tích của mặt (2)
𝐴 3 là diện tích của mặt (3)
𝐴 4 là diện tích của mặt (4)
Diện tích của tấm sàn 𝐴 = 𝐴 1 − (𝐴 2 + 𝐴 3 + 2𝐴 4 ) (2.17)
Thể tích của tấm sàn 𝑉 = 𝐴 𝐿 (2.18)
Khối lượng của tấm sàn 𝑚 𝑡𝑠 = 𝜌 𝑉 (2.19)
Các cánh tay cắt kéo được kết nối với nhau và với bàn nâng cùng tấm sàn thông qua chốt liên kết Trong quá trình vận hành, chốt liên kết phải chịu lực cắt, điều này có thể gây ra hiện tượng nứt và gãy chốt.
Hình 2 21: Chốt liên kết chịu ứng suất cắt trong khi vận hành
Hình 2 22: Kích thước cơ bản của chốt
Ta có: Ứng suất cắt 𝜏 = 3
𝐴 là tiết diện ngang của chốt liên kết
Đường kính của chốt và vật liệu thiết kế chốt có ảnh hưởng lớn đến an toàn của hệ thống cơ khí Đường kính nhỏ của chốt liên kết sẽ làm tăng ứng suất cắt, trong khi vật liệu cần đủ độ bền và độ cứng để đảm bảo an toàn Vật liệu khuyến nghị cho chốt liên kết là thép ST50 (E295).
Bảng 2 4 Đặc tính vật liệu của thép ST50 [ANSYS] Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 275 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 470 MPa Vậy:
Thể tích của chốt liên kết 𝑉 = 𝐴 𝑙 = 𝜋
Khối lượng của chốt liên kết 𝑚 𝑐 = 𝜌 𝑉 (2.22)
Phương pháp thiết kế hệ thống thủy lực
2.3.1 Các định luật ứng dụng trong hệ thống thủy lực
Hình 2 23: Mô tả phương trình Bernoulli [15]
Phương trình Bernoulli [10] đối với dòng chất lỏng lý tưởng, chuyển động ổn định trong ống được viết
Trong đó: p1, p2: Áp suất tại vị trí 1 và 2 [N/m 2 ]
𝜌: Khối lượng riêng chất lỏng [Kg/m 3 ] g: Gia tốc trọng trường [m/s 2 ] v1, v2: Vận tốc chất lỏng tại vị trí 1, 2 [m/s]
30 h1, h2: Độ cao so với mặt chuẩn [m]
Thay 𝛾 = 𝑝𝑔 [N/m 3 ]- Trọng lượng riêng của chất lỏng vào phương trình
𝛾 là thế năng cuả chất lỏng
2𝑔 là động năng của chất lỏng
Khi chất lỏng thực di chuyển ổn định trong ống từ vị trí 1 đến vị trí 2, nó sẽ mất một năng lượng Et do tác động của ma sát.
Nguyên lý Pascal là độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong hệ thống kính được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm của bề mặt chất lỏng [10]
P: là áp suất của chất lỏng (Pa)
F: Lực tác dụng lên bề mặt của chất lỏng (N)
A: Diện tích bề mặt chất lỏng được áp dụng lực (m 2 )
2.3.1.3 Phương trình dòng chảy liên tục
Chất lưu lý tưởng di chuyển trong một ống bất kỳ với vận tốc chảy v1 tại tiết diện S1 và v2 tại tiết diện S2 Lưu lượng chảy qua các tiết diện S1 và S2 là đồng nhất, đảm bảo tính liên tục trong dòng chảy.
Hình 2 24: Dòng chảy liên tục [7]
Phương trình dòng chảy liên tục
2.3.2 Lực đẩy cần thiết của xylanh
Lực đẩy của xylanh được xác định dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, giả định bỏ qua lực ma sát, trong một hệ cô lập Năng lượng đầu vào sẽ bằng năng lượng đầu ra, và trong trường hợp cầu nâng cắt kéo, thủy năng được chuyển đổi thành cơ năng qua xylanh thủy lực Do đó, công thực hiện bởi xylanh tương đương với công nâng cầu lên vị trí bất kỳ Nghiên cứu của Amay Saxena đã phát triển phương trình tổng quát để tính toán lực đẩy xylanh mà không phụ thuộc vào vị trí của nó Phương trình này được tính toán dựa trên đạo hàm chiều cao của cầu nâng cắt kéo theo chiều dài xylanh.
2.3.2.1 Khối lượng của cần nâng Đầu tiên, chúng ta xem cầu nâng cắt kéo như một khối hình chữ nhật với các kích thước 𝑎 × 𝑏 × ℎ và có trọng lượng: 𝐵 = 𝑚 𝑔 (2.29)
Hình 2 25: Khối hình chữ nhật [3]
Vi phân khối lượng của khối chữ nhật 𝑑𝑚 = 𝑎 𝑏 𝑑𝑦 𝜌 (2.30) Tại độ cao y, thế năng 𝑊 𝑑𝑚 = 𝑑𝑚 𝑔 𝑦 = 𝑎 𝑏 𝑑𝑦 𝜌 𝑔 𝑦 (2.31) Vậy, thế năng của toàn bộ khối chữ nhật có chiều cao h:
Trọng lượng của khối chữ nhật: 𝐵 = 𝑎𝑏ℎ𝜌𝑔 → 𝐵
2 =𝐵ℎ 2 Nếu chiều cao của khối chữ nhật thay đổi nhưng trọng lượng không đổi, thì công sinh ra để đưa khối chữ nhật đến độ cao h:
Để nâng khối chữ nhật đến độ cao h bất kỳ, cần thực hiện một công tương đương với một nửa trọng lượng của nó Do đó, trọng lượng cần nâng của xylanh bao gồm trọng lượng của tải và một nửa trọng lượng của cầu nâng cắt kéo.
2.3.2.2 Phương trình lực đẩy xylanh Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, ta có:
Công thực hiện bởi xylanh bằng công thực hiện để nâng cầu nâng và tải đến độ cao h
𝐹 là lực đẩy cần thiết của xylanh
𝑙 là chiều dài của xylanh
𝐿 là trọng lượng của tải thiết kế
𝐵 là trọng lượng của cầu nâng
ℎ là chiều cao của cầu nâng
Vi phân hai vế với chiều dài của xylanh 𝑙, ta được:
Hình 2 26: Sơ đồ tính toán lực đẩy cần thiết của xylanh [3]
Q là điểm đặt của cần piston; P là điểm đặt của xylanh Vậy 𝑃𝑄̅̅̅̅ là chiều dài của xylanh thủy lực
𝜃 là góc hợp bởi cánh tay cắt kéo và đường nằm ngang
ℎ là chiều cao của cầu nâng
𝑖 là số tầng cắt kéo bên dưới điểm Q Trong trường hợp này, 𝑖 = 1
𝐷 là chiều dài của cánh tay cắt kéo
Gọi n là số tầng cắt kéo của cầu nâng, 𝑛 = 2
Vậy, chiều cao của cầu nâng ℎ = 𝑛𝐷 sin 𝜃 (2.38)
Vi phân hai vế theo h:
Vi phân 2 vế biểu thức (2.38), ta có:
Do thiết kế cầu nâng đặt âm nền, nên lực đẩy cần thiết của xylanh được tính toán theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Cầu nâng ở vị trí thấp nhất 𝐻 𝑚𝑖𝑛 và tại đó có 𝜃 𝑚𝑖𝑛 thì xylanh chỉ chịu trọng lượng của cầu nâng Khi đó, phương trình (6) sẽ trở thành:
𝑁 tan 𝜃 𝑚𝑖𝑛 − 𝑀 sin 𝜃 𝑚𝑖𝑛 (2.43)Giai đoạn 2: Khi bàn nâng chạm được gầm xe – Xylanh chịu cả trọng lượng của tải thiết kế và cầu nâng
Hình 2 27: Bàn nâng chạm được gầm xe
𝜃 𝐿 là góc hợp bởi cánh tay cắt kéo và đường nằm ngang khi bàn nâng chạm được gầm xe
𝐻 𝐾𝑆𝐺 là khoảng sáng gầm của xe du lịch Đối với dòng xe sedan, khoảng sáng gầm trung bình là 165 mm [4]
Khi đó, phương trình (2.42) sẽ trở thành:
2.3.3 Tính toán chọn các chi tiết thủy trong hệ thống thủy lực
2.3.3.1 Tính toán các thông số của xylanh thủy lực
Hình 2 28: Các thành phần lực tác dụng lên xylanh kép [8]
Fmsc: Lực ma sát cần piston
Fmsp: Lực ma sát piston với thành xylanh
A1: diện tích piston ở buồng công tác.𝐴 1 = 𝜋×𝐷 2
A2: diện tích piston ở buồng có cần piston.𝐴 2 = 𝜋×(𝐷 2 −𝑑 2 )
Khi xylanh chính đi lên 1 đoạn 𝛥𝑥 1 thì xylanh phụ cũng sẽ đi lên 1 đoạn𝛥𝑥 2 , mặc khác khi 2 bàn nâng cân bằng thì 𝛥𝑥 1 = 𝛥𝑥 2 Dựa vào Định luật Pascal [7]
A3 là diện tính phía có cần của xylanh chính (mm 2 )
A2 là diện tích đỉnh piston của xylanh phụ (mm 2 )
𝛥𝑥 1 là quãng đường đi lên của xylanh chính (mm)
𝛥𝑥 2 là quãng đường đi lên của xylanh phụ (mm)
D1 là đường kính xylanh chính (mm)
D2 là đường kính xylanh phụ (mm) d1 là đường kính cần xylanh chính (mm)
Mà 𝐴 2 = 𝐴 3 nên lực nâng của xylanh chủ yếu do xylanh chính và xylanh phụ chỉ để hỗ trợ cân bằng 2 bên bàn nâng Khi đó, phương trình trở thành:
Chọn k hệ số tổn thất áp suất do rò rỉ, ma sát k=1,1-1,2
Áp suất bơm cung cấp là:𝑝 1𝑡 = 𝑝 1 𝑘 (2.49)
Chọn đường kính xylanh theo tiêu chuẩn DIN ISO 3320
Tốc độ di chuyển của xylanh
Vbn tốc độ di chuyển của bàn nâng lrod chiều dài hành trình cần piston
H độ cao nâng tối đa thiết kế
2.3.3.2 Tính lưu lượng bơm cần thiết cung cấp cho xylanh
Lưu lượng cần cung cấp
Q: lưu lượng vào xylanh chính (l/ph)
Vxylanh: vận tốc đi ra của xylanh (m/s)
𝑛 𝑘 : tỉ số truyền trục bơm, chọn 𝑛 𝑘 = 1
A1: tiết diện xylanh chính buồng công tác
Motor 4 Pole 3 pha trong cầu nâng chậm tua chọn M050 (v/ph)
Chọn bơm Qb theo tiêu chuẩn ALDP.
2.3.3.3 Tính toán tốc độ di chuyển thực tế của xylanh và bàn nâng
Tốc độ di chuyển thực tế của xylanh
Tốc độ di chuyển thực tế của bàn nâng
2.3.3.4 Tính toán chọn công suất motor điện
Công suất bơm tạo ra:
Công suất cần thiết trên trục của bơm: 𝑁 𝑡𝑟 = 𝑁 𝑏
𝜂 𝑏, chọn 𝜂 𝑏 = 0,9 (2.55) Công suất của động cơ điện:
Chọn công suất motor điện theo tiêu chuẩn IEC
2.3.3.5 Tính toán chọn đường ống dầu thủy lực Đường kính ống dầu thủy lực
Ao: tiết diện của ống thủy lực vo: vận tốc của dầu trong ống thủy lực
Chọn đường kính và chiều dài đường kính ống dầu theo tiêu chuẩn DIN ISO
2.3.3.6 Tính toán tổn thất áp suất thực tế
Tổn thất áp suất trên đường ống dầu
𝜌: khối lượng riêng của dầu thủy lực (850 kg/m 3 ) vo: Vận tốc của dầu trong ống thủy lực l0: chiều dài ống dẫn (tiêu chuẩn l0 < 15 mét)
𝜆: hệ số ma sát dầu với thành ống, 𝜆 = 75
𝜉: độ nhớt động của dầu thủy lực (mm 2 /s): chọn 𝜉 = 100(𝑚𝑚 2 /𝑠) Tổn thất áp suất do khớp nối T
𝜁: hệ số tổn thất cục bộ, chọn 𝜁 = 1,3 b: hệ số ảnh hưởng của chế độ chảy, chọn b = 1,5
Tổng tổn thất áp suất phải nhỏ hơn 10% Pmax theo yêu cầu thiết kế
2.3.3.7 Tính toán chọn thể tích thùng chứa dầu
Dung tích thùng dầu cố định
Phương pháp thiết kế hệ thống điện
2.4.1 Tổng quan hệ thống điện
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các hạt mang điện, chủ yếu là electron, trong các môi trường như kim loại, chất điện phân, khí hoặc chất bán dẫn Nó được định nghĩa là số lượng electron đi qua một điểm cụ thể trong một giây.
Có nghĩa là nếu nhiều electron hơn đi qua một điểm nhất định thì dòng điện sẽ lơn hơn Dòng điện được đo bằng Ampe [11]
Dòng điện 3 pha: Điện 3 pha là điện sử dụng 4 dây bao gồm có 3 dây nóng và
Một hệ thống điện ba pha bao gồm ba dây nóng, mỗi dây pha tương ứng với một dây nóng, và tất cả đều chạy song song với nhau Cùng với đó, hệ thống này sử dụng một dây trung tính, hay còn gọi là dây lạnh, để hoàn thiện mạch điện.
Mạch điện là tập hợp các linh kiện điện được kết nối bằng dây dẫn, tạo thành thiết bị hoặc mạng điện, thực hiện các chức năng cụ thể.
An toàn điện là hệ thống các biện pháp và phương tiện kỹ thuật nhằm ngăn chặn các tác động nguy hiểm từ dòng điện, hồ quang điện, trường điện từ và tĩnh điện đối với con người.
2.4.2 Tiêu chí thiết kế mạch điện
• Cần lên ý tưởng thiết kế mạch điện phù hợp với yêu cầu và tính năng của hệ thống
• Hiểu được bản chất, nguyên lý của dòng điện
• Hiểu được tính năng, nguyên lý của các linh kiện điện tử
• Biết sử dụng phần mềm chuyên dụng để thiết kế và mô phỏng mạch điện
• Mạch thiết kế đơn giản để thuận tiện cho việc lắp đặt, vận hành và sửa chữa
• Linh kiện có sẵn trên thị trường
2.4.3 Các bước để thiết kế mạch điện
Bước đầu tiên trong quá trình thiết kế mạch điện là xác định yêu cầu và các tính năng cần có Bạn cần làm rõ chức năng và đặc điểm của mạch điện, đồng thời phát triển ý tưởng thiết kế để đảm bảo mạch hoạt động hiệu quả.
Bước 2: Đưa ra các phương án mạch điện (vẽ sơ đồ nguyên lý) và lựa chọn phương án thích hợp nhất
Sau khi hoàn thành việc vẽ, kết quả cần đáp ứng các tiêu chí quan trọng: điện áp phải phù hợp với motor đã chọn, đảm bảo bảo vệ động cơ khi hệ thống làm việc quá tải, đồng thời thiết kế phải đơn giản và chính xác.
Bước 3: Lựa chọn thiết bị và linh kiện điện thích hợp với mạch điện đã thiết kế ở “bước 2”
Khi lựa chọn đồ dùng điện, cần chú ý chọn thiết bị phù hợp với công suất điện đã được thiết kế, tránh việc chọn thiết bị có công suất quá cao hoặc quá thấp Ngoài ra, linh kiện cũng cần phải có sẵn trên thị trường với mức giá hợp lý.
Bước 4: Lắp đặt và kiểm tra thiết bị Cần thực hiện lắp đặt một cách thận trọng và chính xác Sau khi hoàn tất lắp đặt, hãy sử dụng các thiết bị như bút thử điện và đồng hồ đo điện để kiểm tra tính an toàn và hiệu quả của hệ thống.
THIẾT KẾ BÀN NÂNG CẮT KÉO
Hệ thống cơ khí
Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật ban đầu
Khối lượng của tải (m) 1500 kg Chiều cao nâng tối đa (Hmax) 1880 mm
Chiều cao ban đầu (Hmin) 105 mm
Trường hợp 1: Xét cầu nâng ở vị trí ban đầu (Hmin = 105 mm)
Hình 3 1: Kích thước của cầu nâng khi ở vị trí thấp nhất
Chiều cao ban đầu của cầu nâng là 105 mm và số tầng của cầu nâng là 2
Vậy, chiều cao ban đầu của 1 tầng: 𝐻 1𝑚𝑖𝑛 = 𝐻 𝑚𝑖𝑛
Vậy, chiều dài cánh tay cắt kéo khi chốt đồng tâm
Lấy chiều dài cánh tay cắt kéo 𝐷 ′ = 1261 𝑚𝑚
Hình 3 2: Hình dạng cầu nâng với tâm chốt lệch
Từ hình trên, ta có : 𝜃 𝑚𝑖𝑛 = cos −1 𝑋 𝜃𝑚𝑖𝑛
1261= 2,282 𝑜 Vậy, chiều dài thiết kế của cánh tay cắt kéo :
𝑠𝑖𝑛(𝜃 𝑚𝑖𝑛 ) = 52.5 sin 2,282 𝑜 = 1318,503 𝑚𝑚 ≈ 1319𝑚𝑚 TH2: Xét cầu nâng ở vị trí cao nhất (Hmax = 1880 mm)
Hình 3 3: Kích thước của cầu nâng khi ở vị trí nâng tối đa
Chiều cao nâng tối đa của cầu nâng là 1880 mm và số tầng của cầu nâng là 2
Vậy, chiều cao nâng tối đa của 1 tầng: 𝐻 1𝑚𝑎𝑥 = 𝐻 𝑚𝑎𝑥
Gọi 𝑋 𝜃𝑚𝑎𝑥 là khoảng cách giữa hai đầu cánh tay cắt kéo khi cầu nâng ở vị trí cao nhất
Lấy 𝑋 𝜃𝑚𝑎𝑥 = 885mm Suy ra, khoảng cách trượt của con trượt:
Ta chọn các kích thước cho mặt cắt ngang của cánh tay cắt kéo:
Hình 3 4: Tiết diện mặt cắt ngang của cánh tay cắt kéo
Vậy, thể tích của cánh tay cắt kéo: 𝑉 = 𝐴 𝐷 = 80 25 1319 2,638 10 −3 𝑚 3
Với 𝜌 = 7969 𝑘𝑔/𝑚 3 , khối lượng của cánh tay cắt kéo:
Lấy khối lượng thiết kế của một cánh tay cắt kéo 𝑚 𝑐𝑡 = 23 𝑘𝑔
Ta chọn các kích thước cho bàn nâng như sau:
Hình 3 5: Kích thước của bàn nâng
Vậy, thể tích của bàn nâng: 𝑉 = 𝑉 1 + 2𝑉 2 + 2𝑉 3 = 8,570688 10 −3 𝑚 3 Với 𝜌 = 7850 𝑘𝑔/𝑚 3 , khối lượng bàn nâng:
𝑚 𝑏𝑛 = 𝜌 𝑉 = 7850 8,570688 10 −3 = 67,28 𝑘𝑔 Lấy khối lượng thiết kế của bàn nâng: 𝑚 𝑏𝑛 = 69 𝑘𝑔
Ta chọn các kích thước cho tấm sàn như sau:
Hình 3 6: Kích thước của tấm sàn
Diện tích của tấm sàn: 𝐴 = 𝐴 1 − (𝐴 2 + 𝐴 3 + 2𝐴 4 ) = 5728 𝑚𝑚 2
Với 𝐿 = 1480 𝑚𝑚, thể tích của tấm sàn:
𝑉 = 𝐴 𝐿 = 5728 1480 = 8,47744 10 −3 𝑚 3 Với 𝜌 = 7850 𝑘𝑔/𝑚 3 , khối lượng của tấm sàn:
𝑚 𝑡𝑠 = 𝜌 𝑉 = 7850 8,47744 10 −3 = 66,55 𝑘𝑔 Lấy khối lượng thiết kế của tấm sàn 𝑚 𝑡𝑠 = 67 𝑘𝑔
Ta chọn các kích thước cho chốt liên kết như sau:
Hình 3 7: Kích thước của chốt liên kết
Thể tích của chốt liên kết:
4 0.03 2 0.074 = 5,2307 10 −5 𝑚 3 Với 𝜌 = 7800 𝑘𝑔/𝑚 3 , khối lượng của chốt liên kết:
Lấy khối lượng thiết kế của chốt là 410 g
3.1.2 Thiết kế phần cơ khí cầu nâng cắt kéo 3D
Phần cơ khí của cầu nâng cắt kéo bao gồm các cánh tay cắt kéo, mặt bàn trên và dưới, các chốt, cơ cấu khóa an toàn, con trượt, phe cài và bệ Việc mô phỏng 3D trước khi chế tạo thực tế giúp định hình kích thước và cách bố trí chi tiết dễ dàng hơn, đồng thời phát hiện những sai sót trong tính toán lý thuyết để điều chỉnh kịp thời Tối ưu hóa thiết kế không chỉ cải thiện hiệu suất và độ tin cậy mà còn rút ngắn thời gian hoàn thành và giảm chi phí sản xuất Hơn nữa, mô hình 3D cung cấp tài liệu và dữ liệu thiết kế hỗ trợ cho quá trình sản xuất, lắp ráp và bảo trì sản phẩm.
Hình 3 8: Thiết kế 3D phần cơ khí của cầu nâng cắt kéo
Cầu nâng được thiết kế để lắp đặt dưới mặt đất, với mặt bàn nâng bằng phẳng với bề mặt đất Tuy nhiên, trong trường hợp người dùng muốn đặt cầu nâng trên mặt đất hoặc khi điều kiện không cho phép lắp đặt dưới mặt đất, bốn bệ nâng đã được cung cấp để giải quyết vấn đề này.
- Phần mềm mô phỏng: solidworks
Phương pháp mô phỏng phi tuyến tính khác biệt với phương pháp mô phỏng tĩnh ở chỗ nó xem xét tính phi tuyến tính của vật liệu Trong mô phỏng tĩnh, giả định rằng tỷ lệ giữa ứng suất và độ biến dạng là không đổi khi có tải trọng tác động Điều này có nghĩa là khi tải trọng tăng, biến dạng của vật liệu cũng tăng theo tỷ lệ nhất định Tuy nhiên, nếu áp dụng phương pháp tĩnh để tính toán độ bền của sản phẩm làm từ vật liệu phi tuyến tính, kết quả có thể không chính xác và gây sai lệch.
- Ứng suất mô phỏng đủ điều kiện làm việc phải nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép và nhỏ hơn giới hạn chảy của vật liệu
- Ngoài ra, hệ số an toàn tối thiểu phải lớn hơn 1,0
3.1.3.1 Cơ cấu cánh tay cắt kéo
Bảng 3 2 Điều kiện thử nghiệm bền cho cơ cấu cánh tay cắt kéo
Tên điều kiện Thông số Đơn vị
Tải trọng đặt lên bàn nâng 15680 N Áp suất tại xylanh chính 257 bar Áp suất tại xylanh phụ 257 bar
Bảng 3 3 Vật liệu chế tạo cánh tay cắt kéo: thép AISI 316 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 252,1 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 565,1 MPa
Bảng 3 4 Vật liệu chế tạo chốt: thép ST50 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 275 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 470 MPa
Bảng 3 5 Vật liệu chế tạo xylanh: thép AISI 304 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 206,8 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 517 MPa
Bảng 3 6 Vật liệu chế tạo con trượt: Nhựa PA type 6 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 103,6 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 90 MPa
+ Trường hợp 1: Cầu nâng ở vị trí cao nhất (Hmax = 1880 mm) Áp suất lớn nhất đặt vào mỗi xylanh là 257 bar
Hình 3 9: Kết quả mô phỏng ứng suất cơ cấu cánh tay cắt kéo
Hình 3 10: Kết quả mô phỏng chuyển vị cơ cấu cánh tay cắt kéo
Hình 3 11: Kết quả mô phỏng hệ số an toàn cơ cấu cánh tay cắt kéo Bảng 3 7 Kết quả mô phỏng cơ cấu cắt kéo trường hợp 1
Kết quả Min Max Giới hạn cho phép Đánh giá Ứng suất
(MPa) 0 217,7 < 275 (giới hạn chảy) Thỏa bền
Hệ số an toàn đạt 1,262, vượt mức tối thiểu 1,0, cho thấy cơ cấu được đánh giá là bền vững Trong đó, chi tiết chịu ứng suất lớn nhất là chốt ở cơ cấu đòn bẩy với 217,7 MPa, trong khi các chi tiết khác của cơ cấu cánh tay cắt kéo chỉ chịu ứng suất không đáng kể.
+ Trường hợp 2: Cầu nâng ở vị trí bắt đầu nâng tải (𝜃 = 5,9̊) tương đương với lực nâng lơn nhất F = 126600 N Áp suất lớn nhất đặt vào mỗi xylanh là 257 bar
Hình 3 12: Kết quả mô phỏng ứng suất cơ cấu cắt kéo
Hình 3 13: Kết quả mô phỏng chuyển vị cơ cấu cắt kéo
Hình 3 14: Kết quả mô phỏng hệ số an toàn cơ cấu cắt kéo
Bảng 3 8 Kết quả mô phỏng cơ cấu cắt kéo trường hợp 2
Kết quả Min Max Giới hạn cho phép Đánh giá Ứng suất
(MPa) 0 238,9 < 252,1 (giới hạn chảy) Thỏa bền
Hệ số an toàn 1,1 3,6.10 7 > 1,0 Thỏa bền
Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất ở trường hợp 2 lớn hơn trường hợp 1, điều này xảy ra do góc 𝜃 tại vị trí này nhỏ hơn, dẫn đến lực nâng cần thiết cao hơn so với trường hợp cầu nâng ở vị trí cao.
3.1.3.2 Cơ cấu khóa an toàn (lock) Đối với cơ cấu này chúng ta chỉ mô phỏng bền của thanh răng (vì là thanh răng là chi tiết chịu lực chính đóng vai trò giữ cho cầu nâng cố định và giảm áp lực lên hệ thống thủy lực) Các chi tiết khác xem như thỏa bền
- Điều kiện biên: Xét trường hợp cơ cấu bàn nâng ở vị trí cao nhất (𝜃 = 43,3̊) và cơ cấu khóa an toàn đang hoạt động
Bảng 3 9 Điều kiện thử nghiệm bền cho cơ cấu thanh răng
Tên điều kiện Thông số Đơn vị
Tải trọng đặt lên thanh răng 32600 N
Chiều cao cầu nâng 1880 mm
Bảng 3 10 Vật liệu chế tạo thanh răng: thép AISI 316 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 252,1 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 565,1 MPa
Hình 3 15: Kết quả mô phỏng ứng suất thanh răng
Hình 3 16: Kết quả mô phỏng chuyển vị thanh răng
Hình 3 17: Kết quả mô phỏng hệ số an toàn thanh răng
Bảng 3 11 Kết quả mô phỏng bệ
Kết quả Min Max Giới hạn cho phép Đánh giá Ứng suất (MPa) 4,1.10 -7 247,3 < 252,1 (giới hạn chảy) Thỏa bền Chuyển vị (mm) 10 -30 0,187
Hệ số an toàn 1,019 6,146.10 8 > 1,0 Thỏa bền
3.1.3.3 Mặt trên bàn nâng Đối với mô phỏng bền mặt bàn nâng cần lưu ý rằng: tải trọng không phân bố đều trên bề mặt bàn nâng mà chỉ tập trung ở 2 vị trí khung xe tiếp xúc với mặt bàn Nên trong trường hợp này xem như tải phân bố ở 2 đầu bàn nâng
Bảng 3 12 Điều kiện thử nghiệm bền cho mặt bàn nâng
Tên điều kiện Thông số Đơn vị
Bảng 3 13 Vật liệu chế tạo mặt bàn nâng: thép Carbon AISI 1020 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 293,5 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 393 MPa
Hình 3 18: Kết quả mô phỏng ứng suất mặt bàn nâng
Hình 3 19: Kết quả mô phỏng chuyển vị mặt bàn nâng
Hình 3 20: Kết quả mô phỏng hệ số an toàn mặt bàn nâng
Bảng 3 14 Kết quả mô phỏng mặt bàn nâng:
Kết quả Min Max Giới hạn cho phép Đánh giá Ứng suất
(MPa) 0,1276 133 < 293,5 (giới hạn chảy) Thỏa bền
Hệ số an toàn 2,207 2,3.10 3 > 1,0 Thỏa bền
Bảng 3 15 Điều kiện thử nghiệm bền cho bệ
Tên điều kiện Thông số Đơn vị
Tải trọng đặt lên 4 bệ 29400 N
Bảng 3 16 Vật liệu chế tạo bệ: thép Carbon AISI 1020 Đặc tính cơ khí Kí hiệu Giá trị
Giới hạn chảy [𝜎 𝑐ℎ ] 293,5 MPa Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑘 ] 393 MPa
- Mô phỏng kiểm nghiệm: Tải đặt lên 1 bệ 7350 N Cho kết quả:
Hình 3 21: Kết quả mô phỏng ứng suất của bệ
Hình 3 22: Kết quả mô phỏng chuyển vị của bệ
Hình 3 23: Kết quả mô phỏng hệ số an toàn của bệ
Bảng 3 17 Kết quả mô phỏng bệ:
Kết quả Min Max Giới hạn cho phép Đánh giá Ứng suất
(MPa) 0,003 210 < 293,5 (giới hạn chảy) Thỏa bền
Hệ số an toàn 1,4 9,75.10 4 > 1,0 Thỏa bền
Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ số an toàn đều vượt quá 1, tức là đáp ứng điều kiện bền vững Để đạt được điều này, chúng tôi đã tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật cũng như an toàn.
Mô phỏng trên máy tính là công cụ hữu ích để dự đoán hành vi của cầu nâng và vật liệu chế tạo, nhưng kết quả này không đảm bảo tuyệt đối và không thể thay thế cho thử nghiệm thực tế Do đó, việc chế tạo bàn nâng thực tế cần dựa vào bản thiết kế cụ thể.
64 kế và mô phỏng này cần được xem xét kết hợp với các yếu tố khác như: kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm, thực nghiệm,…
Bảng 3 18 Danh sách các chi tiết có trong mô hình
STT Chi tiết Tên chi tiết Vật liệu Số lượng
2 Cánh tay cắt kéo tầng 1(phía cố định) Thép AISI 316 2
5 Cánh tay cắt kéo tầng 1
(phía con trượt) Thép AISI 316 2
6 Con trượt nhựa Nhựa PA type
8 Tấm giữ chốt 86 Thép AISI 316 8
Bu-lông lục giác chìm đầu bằng M3 (ISO 10642 - M3 x
10 Cánh tay cắt kéo tầng 2
(phía con trượt) Thép AISI 316 2
11 Cánh tay cắt kéo tầng 2
(phía cố định) Thép AISI 316 2
12 Mặt trên cầu nâng Thép Carbon
13 Vít trí lục giác đầu bằng M3
14 Vít trí lục giác đầu bằng M5
21 Đầu xylanh thủy lực Thép AISI 316 4
22 Đệm cơ cấu an toàn phía xylanh chính Thép AISI 316 2
23 Đệm cơ cấu an toàn phía xylanh phụ Thép AISI 316 2
24 Cơ cấu đòn bẩy Thép AISI 316 2
28 Xylanh thủy lực chính Thép AISI 304 2
29 Xylanh thủy lực phụ Thép AISI 304 2
30 Cơ cấu liên kết xylanh Thép AISI 316 2
31 Thanh răng cơ cấu khóa an toàn Thép AISI 316 2
32 Ngàm cơ cấu an toàn Thép AISI 316 2
33 Vòng lót xylanh khí nén
38 Con lăn cơ cấu đòn bẩy 1 Thép AISI 316 4
39 Con lăn cơ cấu đòn bẩy 2 Thép AISI 316 2
43 Ống bảo vệ Thép Carbon
Hệ thống thủy lực
Bảng 3 19 Bảng thông số đầu vào tính toán hệ thống thủy lực
Thông số Kí hiệu Giá trị
Bàn nâng có kích thước 1480 x 650 mm, với độ cao nâng tối đa đạt 1880 mm và độ cao tối thiểu là 105 mm Bàn nâng này được trang bị xylanh chính có đường kính 80 mm và xylanh phụ với đường kính 63 mm.
Chiều dài cần piston lrod 638,5 mm
Tốc độ đi lên của bàn nâng cần thiết kế vbn 30 mm/s
3.2.1.2 Tính toán lực nâng cần thiết của xylanh thủy lực Đầu tiên, để tính toán được lực đẩy cần thiết của xylanh, chúng ta cần thiết kế chọn vị trí đặt xylanh: lực cần thiết tạo ra bởi xylanh có thể giảm xuống nếu như ta chọn vị trí đặt xylanh thích hợp Điều này cho phép sử dụng xylanh với đường kính nhỏ hơn
Hình 3 24: Vị trí đặt xylanh
Phương trình tổng quát tính toán lực đẩy cần thiết của xylanh:
Với 𝑏 = 0 và tại một góc 𝜃 cố định (chọn 𝜃 = 10 𝑜 ), chúng ta sẽ tiến hành khảo sát chọn a để giá trị của 𝑑ℎ
Bảng 3 20 Khảo sát giá trị của dh/dl theo biến a
Giá trị của a Giá trị của 𝑑ℎ
Nhận xét: chúng ta có thể nhận thấy rằng, với 𝑎 = 1
𝑑𝑙 là lớn nhất Đồng thời, lực đẩy cần thiết của xylanh sẽ là nhỏ nhất khi ta chọn 𝑎 = 1
2 Nhưng với thiết kế chọn 𝑎 = 1
Khi giá trị của a tăng lên đến 2, cầu nâng sẽ không thể xếp gọn xuống được Điều này xảy ra do góc hợp giữa xylanh và đường nằm ngang tăng lên, dẫn đến sự hạn chế trong khả năng xếp gọn của cầu nâng.
5 sẽ được chọn để thiết kế
I25Giai đoạn 1: Xylanh chỉ chịu trọng lượng của cầu nâng (𝜃 = 𝜃 𝑚𝑖𝑛 = 2,282 𝑜 )
Phương trình số (2.42) sẽ trở thành:
𝑁 tan 𝜃 𝑚𝑖𝑛 − 𝑀 sin 𝜃 𝑚𝑖𝑛 Trọng lượng nâng của cầu nâng:
≈ 2544 𝑁 Vậy, lực đẩy cần thiết của xylanh 𝐹 = 24043,34881 ≈ 24,05 𝑘𝑁
Giai đoạn 2: Xylanh chịu cả trọng lượng của tải thiết kế và cầu nâng (𝜃 = 𝜃 𝐿 ) Đối với dòng xe sedan, khoảng sáng gầm trung bình là 165 mm [4]
2.1319 = 5,87 ≈ 5.9 𝑜 Phương trình (2.42) sẽ trở thành:
Khối lượng của tải thiết kế là 𝑚 𝐿 = 1600 𝑘𝑔 Vậy 𝐿 = 𝑚 𝐿 𝑔 = 1600 9,8 15680 𝑁
Trọng lượng nâng của cầu nâng 𝐵 = 2544 𝑁
Vậy, lực đẩy cần thiết của xylanh 𝐹 = 126556,9353 𝑁 ≈ 126,6 𝑘𝑁
3.2.1.3 Tính toán các thông số của xylanh thủy lực
Cầu nâng cắt kéo có 4 xylanh là 2 xylanh chính và 2 xylanh phụ nên cần tính
1 nhánh của hệ thống thủy lực bao gồm 1 xylanh và 1 xylanh phụ với tải phải chịu là FN6.6 kN Vậy, lực tác dụng lên mỗi xylanh là FC c300 N
Hình 3 25: Sơ đồ 1 nhánh của hệ thống thủy lực
Khi xylanh chính đi lên một đoạn 𝛥𝑥 1 thì xylanh phụ cũng sẽ đi lên một đoạn
𝛥𝑥 2 , mặc khác khi 2 bàn nâng cân bằng thì 𝛥𝑥 1 =𝛥𝑥 2 Áp dụng Định luật Pascal:
Mà 𝐴 2 =𝐴 3 nên lực nâng của xylanh chủ yếu do xylanh chính và xylanh phụ chỉ để hỗ trợ cân bằng 2 bên bàn nâng Khi đó, phương trình trở thành:
Chọn hệ số tổn thất áp suất do rò rỉ và tổn thất đường ống dầu k=1,1
Áp suất bơm bánh răng cần cung cấp là: 𝑃 𝑏 = 𝑝 1 𝑘 = 265.1,1 282,7(𝑏𝑎𝑟)
Bảng 3 21 Bảng chọn đường kính theo tiêu chuẩn DIN ISO 3320
∅ 𝐷 mm ∅ 𝑑 mm A1 cm 2 F1 kN 𝑙 𝑟𝑜𝑑 𝑚𝑎𝑥 mm
80 Chọn xylanh theo tiêu chuẩn DIN ISO 3320
Xylanh chính có: D1 = 80mm; d1 = 45 mm
Xylanh phụ có: D2 = 63mm; d2 = 45 mm
Tính toán tốc độ di chuyển của xylanh
3.2.1.4 Tính toán lưu lượng bơm bánh răng cần cung cấp
Lưu lượng bơm cần cung cấp
Bảng 3 22 Bảng tiêu chuẩn chọn bơm thủy lực [9]
Lưu lượng cm 3 /vòng Áp suất làm việc(bar) Tốc độ vòng quay cực đại
Chọn bơm bánh răng thủy lực ALP2D6 = 4,5 cc/rev, có các thông số sau:
Lưu lượng cung cấp của hệ thống bơm đạt 4,5 cm³/vòng, tương đương với 6,525 lít/phút Áp suất bơm tạo ra bao gồm áp suất làm việc gián đoạn P1 là 0 bar, trong khi áp suất làm việc liên tục P2 đạt 270 bar Áp suất làm việc lớn nhất P3 là 0 bar.
Lưu lượng riêng của bơm là:
3.2.1.5 Tính toán tốc độ di chuyển thực tế của xylanh và bàn nâng
Tốc độ di chuyển thực tế của xylanh
𝑠 ) = 10,82 (𝑚𝑚/𝑠) Tốc độ di chuyển thực tế của bàn nâng
3.2.1.6 Tính toán chọn động cơ điện
Hình 3 26 Bộ truyền động cơ điện [8]
Công suất bơm tạo ra:
Công suất trên trục của bơm:
0,9 = 3,5(𝑘𝑊), 𝑐ℎọ𝑛 𝜂 𝑏 = 0,9 Công suất của động cơ điện:
Chọn công suất motor bơm theo tiêu chuẩn IEC: Nd = 4,0 kW
3.2.1.7 Tính toán chọn đường ống dầu thủy lực
Bảng 3 23 Chọn vận tốc dòng chảy chất lỏng trong ống thủy lực [7]
Max P (Bar) Vận tốc dòng chảy ống (v0)
Hệ thống hoạt động áp suât lớn hơn 200 bar chọn v0= 6 (m/s) Đường kính trong của ống thủy lực
Chọn đường kính và chiều dài đường kính ống dầu theo tiêu chuẩn DIN ISO 18752: Chọn do = 6,3 mm, l0 = 4 mét
Bảng 3 24 Tiêu chuẩn ISO 18752 chọn đường kính ống thủy lực
ISO 18752 Đường kính trong (mm) Đường kính ngoài (mm) Áp suất làm việc Tiêu chuẩn Cao Cao cấp psi MPa
3.2.1.8 Tính toán tổn thất áp suất thực tế
360 = 0,208 Tổn thất áp suất ∆𝑃 (bar) trên đường ống thủy lực
2 = 21,216(𝑏𝑎𝑟) Tổn thất áp suất do khớp nối T
2 = 29,835(𝑘𝑁/𝑚 2 ) = 0,30(𝑏𝑎𝑟) Tổn thất qua van một chiều: △ 𝑝 3 = 2𝑏𝑎𝑟
Tổng tổn thất áp suất thực tế
Van áp suất, cụ thể là van tràn, được sử dụng trong hệ thống thủy lực để thiết lập áp suất làm việc Chức năng chính của van tràn là kiểm soát và ngăn chặn sự tăng áp suất vượt quá mức quy định.
Van tràn trong hệ thống này là loại van tràn điều khiển trực tiếp, hoạt động dựa trên nguyên tắc cân bằng lực giữa hai lực tác động lên con trượt van.
81 kết cấu van được điều chỉnh trước (lực căng lò xo), và lực do áp suất chất lỏng P tạo thành
Hình 3 27: Cấu tạo van tràn trực tiếp [FluidSIM]
Tình toán cài đặt van tràn:
Lực tác động của lò xo: Flò xo =k.x
Trong đó: k: độ cứng của lò xo, x: chuyển vị lò xo
Lực mở van tràn: F=P1.A1 Điều kiện để cửa P thông với cửa T : F > Flò xo + A2.P2
Dựa vào Catalogue của hãng Rexroth của Đức, ta chọn được van tràn:
Mã van : VSDN-10A Áp suất làm việc lớn nhất ở cửa 2 (P): 350 bar
82 Áp suất đầu vào cho phép ở cửa 1 (T): 140 bar
Hình 3 28: Cấu tạo của van tràn VSDN-10A
Hình 3 29: Đồ thị quan hệ giữa áp suất và lưu lượng qua van VSDN-10A
Mã van: VUCN-10A Áp suất max : 350 bar
Tổn thất qua van : 2 kg.f/cm 2
Hình 3 30: Cấu tạo van một chiều VUCN-10A
Hình 3 31: Thông số kỹ thuật của van VUCN-10A
Hình 3 32: Đồ thị quan hệ giữa áp suất và lưu lượng qua van VUCN-10A
3.2.1.11 Tính toán van tiết lưu
Mã van : ST-C-10 Áp suất lớn nhất : 350 bar
Lưu lượng lớn nhất : 70 l/ph
Hình 3 33: Cấu tạo của van ST-C-10
Hình 3 34: Thông số kỹ thuật của van ST-C-10
Hình 3 35: Đồ thị quan hệ giữa áp suất và lưu lượng qua van ST-C-10
Van phân phối là van đảo chiều điện từ thường đóng 2/2, dòng lưu chất qua van có thể đảo ngược
Van này có chức năng kết nối cửa A với cửa P khi cuộn điện từ hoạt động, cho phép dầu thủy lực đi qua van tiết lưu và trở về bình chứa nhờ vào tải trọng của bàn nâng và phụ tải.
Vì van được đặt ở trên đường dầu hồi về nên không có ảnh hưởng về lưu lượng và áp suất dầu trong quá trình cầu nâng đi lên
Dựa vào Catalogue của hãng Rexroth của Đức, ta chọn được van phân phối:
Mã van: KKDER1NA/HN9V Áp suất tối đa: 350 bar
Lưu lượng tối đa: 55 lít/phút
Nguồn cung cấp cho solenoid: 24V
Hình 3 36: Cấu tạo và kí hiệu của van KKDER1NA/HN9V
3.2.1.13 Tính toán thể tích thùng chứa dầu
Dung tích thùng chứa dầu cố định
3.2.1.14 Chọn sin, phốt thủy lực
Chọn sin phốt thuỷ lực làm việc trong môi trường áp suất cao, ma sát, chuyển động dọc trục theo tiêu chuẩn DIN ISO 3601-3
Chọn phốt cho đầu piston
Phốt piston đảm bảo hoạt động với áp suất hệ thống P3 =Pmax= 290 bar
Bảng 3 25 Bảng chọn phốt Piston [17]
Hình 3 37: Thông số chọn phốt cho piston [17]
Hình 3 38: Phốt Xylanh kép K08-D (trái) và phốt xylanh đơn K01-PE (phải)
Chọn phốt cho cần piston
Bảng 3 26 Bảng chọn phốt cho cần piston [17]
Hình 3 39: Vị trí các phốt trên xylanh [17]
Chọn cao su định vị
Nhiệt độ làm việc ( o C) vxlmax
Cao su định vị có chức năng dẫn hướng piston và định vị piston tránh ma sát trực tiếp piston với xylanh hay cần piston với vòng găng
Hình 3 40: Thông số chọn cao su định vị (trái) và Cao su định vị F01 (phải)
Bảng 3 27 Bảng chọn cao su định vị [17]
(mm) min max Định vị piston chính F01 -200 200 4 83x15x2,5 Định vị piston phụ -200 200 4 66x9,7x2,5
3.2.2 Thiết kế mạch thủy lực
Hình 3 41: Sơ đồ mạch thủy lực của cầu nâng
3.2.3 Hệ thống khí nén mở Lock cơ khí
Trong bàn nâng cắt kéo, hệ thống khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc mở cơ cấu khóa an toàn, cho phép bàn nâng hạ xuống một cách an toàn Việc này giúp ngăn ngừa tình trạng giảm áp suất thủy lực trong quá trình vận hành, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Hệ thống khí nén trong bàn nâng cắt kéo có cấu trúc đơn giản nhưng mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí và nâng cao độ an toàn trong quá trình sử dụng.
3.2.3.1 Sơ đồ hệ thống lock khí nén
(1) Nguồn cung cấp khí nén
(2) Xylanh khí nén tác dụng đơn
(3) Van điều khiển khí nén loại điện từ
Hình 3 42: Sơ đồ hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén trên bàn nâng cắt kéo bao gồm bộ van điều khiển, ống dẫn khí nén, bộ nguồn cung cấp khí nén và xy lanh khí nén Khi bàn nâng đạt vị trí mong muốn, van thủy lực mở ra cho dầu về bình chứa, tạo điều kiện cho cơ cấu cơ khí gối lên cơ cấu khóa liên kết với xy lanh khí nén, thiết lập khóa an toàn Để hạ bàn nâng, bơm thủy lực sẽ bơm dầu làm cầu nâng đi lên, đồng thời van khí nén mở cho khí vào xy lanh khí nén, mở cơ cấu khóa cơ khí Van thủy lực sau đó mở ra cho dầu về bình chứa, và trong suốt quá trình hạ bàn nâng, cơ cấu khóa cơ khí sẽ mở liên tục cho đến khi đạt vị trí mong muốn.
3.2.3.2 Các thành phần trong hệ thống khí nén
Cơ cấu lock an toàn khí nén có thiết kế đơn giản, giúp tiết kiệm chi phí Hệ thống này bao gồm các bộ phận chính như xylanh đơn khí nén, nguồn cung cấp khí nén và van khí nén điện từ.
3.2.3.2.1 Nguồn cung cấp khí nén
Thiết bị tạo ra khí nén và cung cấp khí nén cho hệ thống lock an toàn trong cầu nâng cắt kéo là máy nén khí
Máy nén khí hoạt động bằng cách hút không khí từ môi trường và nén lại, sau đó đẩy khí nén vào bình chứa áp lực Khí nén trong bình được duy trì ở áp suất cao hơn so với không khí xung quanh Tiếp theo, khí nén được dẫn đến bộ dẫn khí và chuyển vào hệ thống khóa an toàn để sử dụng.
Có nhiều loại máy nén khí phục vụ cho các ứng dụng công nghiệp và cơ khí, bao gồm máy nén khí piston, máy nén khí vít và máy nén khí không dầu.
Máy nén khí đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống khóa an toàn khí nén của cầu nâng cắt kéo Để đảm bảo hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy, việc bảo trì và bảo dưỡng định kỳ là rất quan trọng.
3.2.3.2.2 Van điều khiển khí nén loại điện từ
Van điều khiển khí nén đóng vai trò quan trọng trong hệ thống khóa an toàn khí nén của cầu nâng cắt kéo, giúp kiểm soát lưu lượng khí nén đến các xylanh Loại van được sử dụng là van điều khiển khí nén thường đóng 3/2 bằng điện từ, đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong quá trình vận hành.
Hình 3 43: Cấu tạo của van điều khiển khí nén thường đóng 3/2 loại điện từ
Hệ thống điện
3.3.1 Thiết kế sơ đồ mạch điện
Dựa trên các tiêu chí thiết kế mạch điện đã được đề cập trong phần 2.4 và nhu cầu sử dụng cùng với sự phát triển của các nền tảng mạch điện trước đó, chúng tôi đã thiết kế được mạch điện như dưới đây.
Hình 3 48: Sơ đồ mạch điện
I là cường độ dòng điện (A)
U là hiệu điện thế (V) cos (φ) là hệ số công suất
Công thức tính tiết diện:
S là tiết diện của dây điện (mm 2 )
Tỉ lệ dòng điện cho phép (J) cho dây dẫn là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống điện Đối với dây đồng, mật độ dòng điện cho phép là Jđ = 6 A/mm², trong khi đối với dây nhôm, mật độ dòng điện cho phép là Jn = 4,5 A/mm² Việc hiểu rõ các giá trị này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sử dụng điện.
Tính tiết diện dây điện cho hệ thống chấp hành
Thông số ban đầu: Công suất của motor 4 (kW) dùng điện 3 pha
Cường độ dòng điện của hệ thống chấp hành:
380.0,9 = 11,7 (𝐴) Tiết diện dây điện của hệ thống chấp hành :
6 = 1,95 (mm 2 ) Vậy chọn dây điện có tiếc diện S = 2 (mm 2 )
Tính tiết diện dây điện cho hệ thống điều khiển
Thông số ban dầu : Cường độ dòng điện sau khi qua máy biến thế 1,8 (A) Tiết diện dây điện của hệ thống điều khiển:
6 = 0,3 (mm 2 ) Vậy chọn dây điện có tiết diện S = 0,5 (mm 2 )
Công thức tính lượng tiêu thụ điện năng:
A là lượng tiêu thụ điện năng
P là công suất toàn phần
T là thời gian tiêu thụ điện năng
Lượng tiêu thụ điện năng của motor trong 1 giờ:
3.3.4 Mô phỏng và kiểm nghiệm các chế độ vận hành trên phần mềm Cade Simu
Bảng 3 29 Thử chức năng bàn nâng
TH UP DN LOCK VTL VKN M Chức năng
2 O O X O O O Bàn nâng đi lên 2 giây rồi đứng yên
4 X O X O O O Bàn nâng đi lên 2 giây rồi hạ xuống
Chú ý: O là bật, X là tắt
Khi chế độ "up" được kích hoạt, cần đóng cầu dao (CB) để cung cấp điện cho hệ thống Dòng điện sẽ đi qua cầu dao, tiếp theo là máy biết thế (MBT) và cầu chỉnh lưu (CCL), chuyển đổi thành dòng điện một chiều Dòng điện này sau đó đi qua đèn báo (H), làm cho đèn sáng, chứng tỏ hệ thống đã hoạt động hiệu quả.
Khi nhấn nút "up", dòng điện truyền qua cuộn dây khởi động từ (KM) làm đóng tiếp điểm (KM) Dòng điện này tiếp tục đi qua motor, khiến motor bơm hoạt động, tạo ra áp suất thủy lực Áp suất này đẩy xylanh, giúp bàn nâng di chuyển lên cao.
Hình 3 49: Sơ đồ mạch điện khi ấn “up”
Khi nhấn nút "down", dòng điện sẽ đi qua timer relay (KT) và bắt đầu đếm 2 giây, cho phép motor quay trong 2 giây để mở cơ cấu "lock" Sau thời gian này, dòng điện sẽ bị ngắt và tiếp theo là việc đóng lại.
Khi đạt 100 điểm cho dòng điện qua solenoid khí nén, cơ cấu "lock" sẽ được mở, đồng thời kích hoạt solenoid thủy lực để xả dầu về bình chứa, từ đó thực hiện quá trình hạ bàn nâng.
Hình 3 50: Sơ đồ mạch điện khi ấn “down”
Khi nhấn nút “lock” thì cho dòng điện đi qua kích solenoid thủy lực xả dầu về bình chứa để hạ bàn nâng ăn khớp cơ cấu “lock”
Hình 3 51: Sơ đồ mạch điện khi ấn "lock"
Bảng 3 30 Chú thích mạch điện
UP, DN, LOCK Công tắc không duy trì
Cải tiến PLC
PLC là thiết bị quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa, giúp máy móc hoạt động tự động, chính xác và hiệu quả Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong hệ thống bàn nâng Việc cải tiến PLC đã nâng cao khả năng vận hành và hiệu suất của các thiết bị công nghiệp.
Bàn nâng với hệ thống PLC cải tiến mang lại tính năng tiện dụng và an toàn hơn Nhờ vào công nghệ này, người dùng chỉ cần thực hiện một thao tác đơn giản để vận hành bàn nâng, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng.
“nhấn nhả” thay vì nhấn giữ trong thời gian dài đối với hệ thống trước kia
3.4.2 Chế độ hoạt động của bàn nâng sau cải tiến
Chế độ “up”: Khi nhấn giữ nút “up” thì bàn nâng đi lên, nhả ra thì bàn nâng đứng yên
Chế độ “down”: Nhấn nhả nút “down” thì bàn nâng đi lên 2 giây (nhả cơ cấu an toàn) rồi tự động đi xuống vị trí thấp nhất
Chế độ "lock" cho phép bàn nâng hạ xuống an toàn khi nhấn nút, đảm bảo sự kết nối với cơ cấu an toàn Đèn "power" sẽ sáng lên khi hệ thống được cấp nguồn, cho thấy thiết bị đang hoạt động.
Chế độ "me" cho phép bàn nâng tự động nâng lên đến vị trí răng thứ 6 của cơ cấu an toàn, phù hợp cho việc tháo lắp bánh xe, sau đó tự động hạ xuống để ăn khớp với cơ cấu an toàn.
Chế độ "hi" cho phép bàn nâng nâng lên độ cao tối đa, lý tưởng cho việc thay nhớt và kiểm tra gầm, sau đó tự động hạ xuống an toàn Khi PLC nhận hai tín hiệu từ chế độ "me" và "hi", đèn "manual" sẽ sáng, khiến bàn nâng dừng lại; lúc này, chỉ có chế độ "manual" mới có thể điều khiển bàn nâng.
Nút Stop: dùng để dừng cầu nâng trong trường hợp cần thiết
PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) là thiết bị điều khiển lập trình sử dụng các thuật toán logic để thực hiện các chức năng điều khiển Cụ thể, PLC nhận tín hiệu đầu vào và thông qua bộ xử lý trung tâm, nó áp dụng các thuật toán điều khiển được lập trình sẵn để xuất tín hiệu đầu ra phù hợp.
103 các tín hiệu ngõ ra để điều khiển các thiết bị đầu ra để vận hành hệ thống một cách tự động hóa
PLC S7-1200 là hệ thống điều khiển tự động, hoạt động bằng cách nhận tín hiệu đầu vào, xử lý thông tin và xuất tín hiệu điều khiển cho nhiều thiết bị Với thiết kế module nhỏ gọn và cấu hình linh hoạt, S7-1200 trở thành giải pháp tối ưu cho quy trình tự động hóa Bộ xử lý trung tâm (CPU) trong S7-1200 kết hợp với bộ ngoại vi, nguồn tích hợp, cùng các mạch ngõ vào và ngõ ra, cho phép xử lý thông tin nhanh chóng và chính xác.
Bảng 3 30 Bảng thông số kỹ thuật PLC [16]
Loại PLC S7-1200 CPU 1211C DC/DC/DC
Kích thước vật lý (mm) 90 x 100 x 75 Điện áp đầu vào 24 V
Số khối CPU DB, FC, FB, bộ đếm và bộ hẹn giờ Số khối địa chỉ tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 65535
• 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
Các module truyền thông 3 (mở rộng về bên trái)
Các bộ đếm tốc độ cao
Thẻ nhớ Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực 480 giờ
PROFINET 1 cổng truyền thông Ethernet
Thời gian xử lý hoạt động bit 0,08 μs/lệnh
Thời gian xử lý thao tác từ 1,7 μs/lệnh
Tốc độ truyền tối đa 100 Mb/giây
Tia Portal viết tắt của “Totally Integrated Automation Portal” là một phần mềm tích hợp của nhiều phần mềm như: Step 7 basic, Simatic WinCC Professional,
Simatic Start Driver… được sử dụng để thiết kế, lập trình và giám sát hệ thống PLC và HMI của Siemens
3.4.5.1 Cấu Trúc Bên Trong PLC
Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 có 4 bộ phận cơ bản: Bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất/ nhập [12]
CPU là bộ xử lý trung tâm, điều khiển các hoạt động trong PLC theo chương trình đã lập trình Nhiệm vụ của CPU bao gồm việc đọc và tiếp nhận tín hiệu đầu vào, thực hiện các lệnh theo thứ tự từ bộ nhớ, và xuất tín hiệu để điều khiển các thiết bị đầu ra.
Bộ nguồn: Có nhiệm vụ cấp nguồn 24VDC cho các bộ vi xử lý, mạch điện, thiết bị đầu vào/ra
Bộ nhớ: Là nơi lưu trữ các chương trình để sử dụng cho các hoạt động dưới sự quản lý của bộ vi xử lý
Các thành phần giao tiếp nhập/xuất bao gồm input và output Input nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi và gửi đến các thiết bị điều khiển, trong khi output truyền tín hiệu từ bộ xử lý trung tâm (CPU) đến các thiết bị đầu ra.
3.4.5.2 Thông tin đầu vào Để cải tiến bàn nâng cần 9 tín hiệu đầu vào bao gồm: 2 cảm biến vật cản hồng ngoại, 1 công tắc hành trình, 5 công tắc không duy trì, 1 công tắc duy trì
• Cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến vật cản hồng ngoại, hay còn gọi là IR Sensor, là linh kiện điện tử phổ biến trong ngành tự động hóa, có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại ở nhiều vị trí trong một phạm vi nhất định.
Hình 3 53: Cảm biến vật cản hồng ngoại Bảng 3 31 Bảng thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại
Model E3F-DS30P1 Điện áp hoạt động 6 – 36 VDC Khoảng cách phát hiện 0 – 30cm Loại ngõ ra PNP – NO
Công tắc hành trình là thiết bị cơ điện tương tự như công tắc thông thường, nhưng được trang bị thêm cần gạt để giới hạn hành trình di chuyển Thiết bị này có độ chính xác cao nhờ vào việc tiếp xúc trực tiếp với bề mặt.
Hình 3 54: Công tắc hành trình
Bảng 3 32 Bản thông số kỹ thuật công tắc hành trình
Module V-155-1C25 - D3H14 Điện áp định mức 250V Dòng định mức 15A
Hình 3 55: Công tắc duy trì Bảng 3 33 Bảng thông số kỹ thuật công tắc duy trì
Số tiếp điểm 1NO + 1NC Điện áp định mức 440VAC Dòng định mức 10A
• Công tắc không duy trì
Hình 3 56: Công tắc không duy trì Bảng 3 34 Bảng thông số kỹ thuật công tắc không duy trì
Số tiếp điểm 1NO + 1NC Điện áp định mức 440VAC Dòng định mức 10A
3.4.5.3 Thông số đầu ra Để cải tiến bàn nâng cần 4 tín hiệu đầu ra bao gồm: Khởi động từ, solenoid thủy lực, solenoid khí nén, đèn manual
Hình 3 57: Khởi động từ Bảng 3 35 Bảng thông số kỹ thuật khởi động từ
Loại CJX2-12 Điện áp cuộn hút 20-28V DC/AC
Dòng định mức 12A Điện áp tiếp điểm 380 VAC
Hình 3 58: Đèn manual Bảng 3 36 Bảng thông số kỹ thuật đèn manual
Kích thước ∅ 22mm Điện áp định mức 24V AC/DC
Hình 3 59: Solenoid khí nén Bảng 3 37 Bảng thông số kỹ thuật solenoid khí nén
Thành phần Thông số Điện áp định mức 24V Dòng định mức 5A
Hình 3 60: Solenoid thủy lực Bảng 3 38 Bảng thông số kỹ thuật solenoid thủy lực
Dòng định mức 24 VDC Điện áp định mức 5A
Hình 3 61: Chương trình ladder được thiết lặp vào PLC
3.4.7 Sơ đồ mạch điện cải tiến PLC
Hình 3 62: Sơ đồ đấu dây
Hình 3 63: Sơ đồ mạch điện thực tế
Bảng 3 39 Bảng chú thích mạch điện
X1 Nút nhấn vị trí High
X2 Nút nhấn vị trí Medium
S1 Cảm biến vị trí High
S2 Cảm biến vị trí Medium
S3 Cảm biến vị trí Low – Công tắc hành trình
Y1 Solenoid của van thủy lực
Y2 Solenoid của van khí nén
D2 Đèn báo chế độ Manual
SỬA CHỮA VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH SỬA CHỮA
Tình trạng ban đầu
Khi không được sử dụng trong thời gian dài, bàn nâng có thể xuất hiện tình trạng cũ kỹ, bám bụi, và bị xì dầu thủy lực Nhiều chi tiết có thể bị gãy, rỉ sét, trong khi ống dẫn dầu và khí nén có nguy cơ mục nát.
Trong quá trình vận hành, bàn nâng bên trái gặp tình trạng chập chờn, di chuyển không ổn định với tốc độ lên xuống khác nhau, và khi gần tiếp đất, áp suất tụt mạnh gây ra cú rơi đột ngột Trong khi đó, bàn nâng bên phải chỉ lên được độ cao 30 cm và hạ xuống một cách đột ngột, tạo ra tiếng đập lớn.
Hình 4 1: Bụi bẩn dày đặc và bị xì dầu thủy lực
Hình 4 2: Các gioăng làm kín đã mục nát
Hình 4 3: Bàn nâng bên trái bị bắn dầu khi đang nâng lên
Hình 4 4: Bàn nâng bên phải bị xì dầu
Hình 4 5: Solenoid khí nén bị gãy
Hình 4 6: Ống khí nén bị bể.
Quy trình bảo dưỡng, sửa chữa bàn nâng cắt kéo
4.2.1 Các hạng mục kiểm tra bảo dưỡng
Giữ cho khu vực làm việc sạch sẽ và bàn nâng không bị dính bụi và dầu nhớt là rất quan trọng, vì điều này có thể gây rỉ sét và giảm tuổi thọ thiết bị Trước khi vận hành, hãy kiểm tra kỹ xung quanh bàn nâng; nếu phát hiện hư hỏng, cần phải điều chỉnh, bảo dưỡng hoặc thay thế phụ tùng kịp thời để đảm bảo an toàn và hiệu suất.
Để đảm bảo an toàn và hiệu suất của bàn nâng, cần vệ sinh toàn bộ bề mặt, siết chặt các bu lông và đai ốc Đồng thời, kiểm tra tất cả các ống và phụ kiện để phát hiện các dấu hiệu biến dạng cơ khí như mòn, rỉ sét, cong, vênh, nứt hoặc gãy Nếu phát hiện hư hỏng, hãy tiến hành sửa chữa hoặc thay thế bằng các bộ phận đúng theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.
Để đảm bảo an toàn và hiệu suất của bàn nâng, cần vệ sinh toàn bộ thiết bị, siết chặt tất cả các bu lông và đai ốc Kiểm tra độ mòn của các bộ phận chuyển động chịu lực ma sát lớn như con trượt và bạc lót; nếu độ mòn vượt quá mức cho phép, hãy tiến hành thay thế Ngoài ra, cần thay thế dầu thủy lực và bộ lọc dầu thô định kỳ.
• Bảo dưỡng trong 3 năm hoặc 5000 lần vận hành
Để đảm bảo bàn nâng hoạt động hiệu quả, cần vệ sinh sạch sẽ bằng cách lau bụi và tạp chất bằng khăn ướt hoặc máy hút bụi Thay thế ống thủy lực, ống khí nén, dầu thủy lực và bộ lọc dầu định kỳ Kiểm tra bơm về áp suất, lưu lượng dòng chảy, rung lắc và an toàn điện; nếu không đạt yêu cầu, cần thay thế bơm ngay Ngoài ra, vặn chặt tất cả các bu lông, đai ốc và kiểm tra tình trạng của chúng; nếu không đạt chuẩn thì cũng cần thay thế Cuối cùng, kiểm tra tất cả linh kiện trong hệ thống điện, bao gồm chất lượng dây dẫn và tính năng hoạt động của các linh kiện.
Bảng 4 1 Quy trình sữa chữa dựa trên pan bệnh
Triệu chứng Lý do Biện pháp Động cơ không hoạt động
Cầu chì bị cháy Thay cầu chì
Hệ thống dây điện có thể gặp lỗi, cần sửa chữa để đảm bảo hoạt động hiệu quả Nếu động cơ bị hỏng, việc thay đổi động cơ là cần thiết Đôi khi, động cơ vẫn hoạt động nhưng các bệ không di chuyển hoặc chỉ có thể di chuyển từ từ, điều này cần được kiểm tra và khắc phục kịp thời.
Mức dầu quá thấp Thêm dầu Van 1 chiều bị tắc nghẽn Kiểm tra hoặc thay thế van 1 chiều
Hệ thống thủy lực bị xì Kiểm tra sửa chữa hệ thống thủy lực Điện áp vào motor bơm không đúng Điều chỉnh điện áp chính xác vào motor
Bơm thủy lực bị hỏng Sửa chữa hoặc thay thế bơm thủy lực Van thủy lực 2/2 bị kẹt
Vệ sinh, kiểm tra thay thế van thủy lực 2/2
Bàn nâng quá chậm trong khi hạ thấp
Hệ thống điện điều khiển van thủy lực bị chập chớn
Sửa chữa hệ thống dây điện
Dầu thủy lực bị bẩn Lọc hoặc thay thế dầu thủy lực
Quá trình nâng liên hạ xuống không đều giữa hai bàn nâng
Bị lọt khí vào trong xylanh chính và xylanh phụ của bàn nâng
Để kiểm tra tình trạng bàn nâng, hãy nâng bàn lên và hạ xuống vài lần Khi nâng bàn lên vị trí cao nhất, quan sát hai bàn nâng; bàn nào thấp hơn sẽ cho thấy có khí trong hệ thống Lúc này, tiến hành xả gió để đảm bảo hiệu suất hoạt động của bàn nâng.
Để xả gió, hãy sử dụng lục giác phù hợp với vít xả và mở vít từ từ, nhớ chuẩn bị một can để hứng dầu xịt ra Sau đó, vặn lại vít và lặp lại quá trình xả gió này nhiều lần cho đến khi không còn bọt khí thoát ra.
Không thể đóng ngắt quá trình cấp dầu do hư hỏng van cân bằng
Thay thế van cân bằng
Rò rỉ trong hệ thống thủy lực
Kiểm tra và sửa chữa hệ thống thủy lực
Bàn nâng bị kẹt trong quá trình hạ xuống Áp suất khí trong đường ống quá thấp do ống khí nén bị thủng
Kiểm tra hoặc thay thế ống khí nén
Van khí Solenoid bị hỏng Thay thế van khí solenoid
“lock” bị hư Thay thế công tắc nút “lock”
Trong quá trình hạ xuống bàn nâng bị tụt áp nên rơi mạnh xuống đất
Thiếu dầu trong hệ thống Châm dầu thêm
Lắp đặt đường ống của hệ thống thủy lực bị sai
Kiểm tra lắp đặt lại hệ thống thủy lực
Van xả dầu bị hỏng Sửa chữa hoặc thay thế van xả dầu
Chên lệch áp suất của 2 đầu piston
Để điều chỉnh bàn nâng, trước tiên nâng bàn lên độ cao 1m Sau đó, nhả nút “up” và mở van thủ công để giảm áp suất, cho bàn nâng tự động trở về vị trí cân bằng Cuối cùng, đóng van lại để hoàn tất quá trình.
Quy trình sửa chữa trên bàn nâng hiện có
4.3.1 Trang thiết bị của quy trình sửa chữa
Để thực hiện công việc hiệu quả, cần chuẩn bị các máy móc và dụng cụ như kìm tháo phe, lục giác chuyên dụng, búa sắt lớn, thanh sắt hình trụ tròn, cờ lê 17 và 19, mỏ lết răng cỡ lớn, xe cẩu chuyên dùng, can hứng dầu thủy lực, dụng cụ tháo lắp gioăng chuyên dụng, ê tô kẹp, súng gió và khăn lau Đồng thời, không thể thiếu đồ bảo hộ như bao tay, nón bảo hộ và giày bảo hộ để đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
Dung dịch: Chai xịt chống gỉ sắt và bôi trơn (RP7), dầu hỏa, dầu thủy lực
4.3.2 Quy trình tháo và vệ sinh, sửa chữa
Trước khi tiến hành tháo lắp thiết bị, cần ngắt nguồn điện và hệ thống để đảm bảo an toàn Hãy rút phích cắm khỏi ổ cắm điện 3 pha để tránh nguy hiểm.
Hình 4 7: Phích cắm và dây điện của hệ thống
Bước 2: Tháo hệ thống thủy lực
Dùng cờ lê 17 và 19 một bên giữ một bên vặn để mở tất cả ống dầu của hệ thống thủy lực
Lưu ý: Trong quá trình tháo ống dầu dùng can hứng để tránh dầu văng ra ngoài làm bẩn nơi làm việc
Sử dụng xe cẩu chuyên dụng để nâng mặt bàn lên vị trí cách mặt đất 1 mét, buộc chặt 2 đầu bàn nâng bằng dây xích cỡ lớn Sau đó, tiến hành sử dụng con đội để cố định độ cao của bàn nâng.
Chú ý: cẩu lên một cách nhẹ nhàng, từ từ, quan sát kỹ càng xung quanh nếu có sự cố thì dừng lại ngay
Hình 4 8: Minh họa khi cẩu mặt bàn
Hình 4 9: Con đội kê đở mô hình
Sử dụng kìm để tháo phe và lục giác nhằm mở bu lông cố định chốt liên kết mặt bàn Sau đó, dùng búa và thanh sắt để đóng chốt liên kết ra ngoài.
126 sau đó cẩu lên thêm 10 cm để khỏi vướng cánh tay cắt kéo và đưa bàn nâng đến nơi khô ráo
Hình 4 10: Mô hình đã tháo mặt bàn
Bước 5: Tháo cụm cơ cấu “lock”, xylanh chính và xylanh phụ
Sử dụng kìm tháo phe và lục giác để gỡ bulong cố định chốt liên kết xylanh Sau đó, dùng búa để đóng chốt ra ngoài như ở bước 4 Cuối cùng, lấy cụm cơ cấu “lock” và xylanh ra ngoài để tiến hành bước tiếp theo.
Hình 4 11: Tháo rời cơ cấu “lock” ra khỏi xylanh
Bước 6: Vệ sinh và thay thế gioăng chặn, điều hướng của xylanh
Cố định xylanh vào ê tô kẹp và sử dụng mỏ lết răng cưa cỡ lớn để tháo cổ xylanh Tiếp theo, tách piston ra khỏi xylanh và tiến hành vệ sinh cũng như thay thế tất cả gioăng.
Sau khi vệ sinh sạch sẽ và kiểm tra kỹ lưỡng, cần đảm bảo rằng không có chi tiết nào bị hư hỏng trước khi tiến hành lắp ráp xilanh lại như ban đầu.
Hình 4 12: Trước khi thay gioăng và vòng điều hướng
Hình 4 13: Sau khi thay gioăng và vòng điều hướng
Quy trình rắp thì hoàn toàn ngược lại với quy trình tháo rã như ở trên
Bước 1: Ráp xylanh lại như ban đầu
Bước 2: Gắn cụm xylanh vào bàn nâng
Bước 4: Hạ bàn nâng xuống mặt đất
Bước 5: Gắn đường ống của hệ thống thủy lực
Bước 6: Châm dầu thủy lực
4.3.4 Đồng bộ hóa 2 bàn nâng
Sau khi sửa chữa, nhiều bàn nâng thường gặp tình trạng không đồng bộ trong quá trình di chuyển Để khắc phục vấn đề này và đảm bảo an toàn cũng như hoạt động bình thường của bàn nâng, cần thực hiện các bước sau đây.
Hình 4 14: Đồng bộ hóa 2 bàn nâng [13]
Bước 1: Mở cả 2 van cân bằng (van cấp dầu) và nhấn nút “up” để 2 bàn nâng lên vị trí cao nhất, lặp lại bước này 2 đến 3 lần
Để kiểm tra sự đồng bộ của 2 bàn nâng, hãy đóng cả 2 van cân bằng và nhấn nút “up” để nâng chúng lên Thông thường, hai bàn nâng sẽ chưa được cân bằng.
Để đồng bộ hóa hai bàn nâng, người thợ cần xác định van cân bằng của bàn nâng cần điều khiển Sau đó, mở van cân bằng của bàn nâng để cho nó nâng lên chậm hơn, nhằm bổ sung dầu vào ống dẫn Cuối cùng, nhấn nút “up” để cả hai bàn nâng cùng đạt độ cao mong muốn.
Bước 4: Khóa 2 van cân bằng lại, nhấn nút “down” để 2 bàn hạ xuống vị trí thấp nhất
Để đảm bảo hai bàn nâng hoạt động đồng bộ, hãy mở van cân bằng của bàn hạ thấp hơn và nhấn nút “down” cho đến khi chúng hạ xuống mức thấp nhất Sau đó, đóng lại hai van và kiểm tra lại sự đồng bộ hóa của hai bàn nâng.
Bước 7: Nếu chưa đồng bộ hóa thì lặp lại bước 5 và bước 6 đến khi nào đồng bộ hóa
4.3.5 Hướng dẫn an toàn quan trọng
Bàn nâng được thiết kế chuyên biệt để nâng các phương tiện có trọng lượng vừa và nhỏ, với khối lượng tối đa dưới 3 tấn Người dùng cần nắm rõ các quy định và hướng dẫn sử dụng trước khi vận hành bàn nâng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Trước khi sử dụng, hãy đọc kỹ hướng dẫn để tránh thiệt hại về tài sản hoặc thương tích Người dùng không được phép sửa đổi thiết bị điều khiển hoặc bất kỳ thiết bị cơ học nào.
Chỉ những nhân viên có trình độ chuyên môn và được đào tạo bài bản mới được phép vận hành bàn nâng Việc đấu nối điện phải được thực hiện bởi thợ điện có chuyên môn.
4.3.5.3 Cảnh báo nguy hiểm Đọc và hiểu tất cả các cảnh báo an toàn trước khi vận hành bàn nâng Không rời khỏi bộ điều khiển khi bàn nâng vẫn đang chuyển động Giữ chân cách xa cầu nâng khi hạ xuống Để ngăn chặn các sự cố có thể xảy ra, các khu vực xung quanh bàn nâng phải gọn gàng và sạch sẽ Không tác động làm rung chuyển xe khi đang ở trên xe nâng hoặc di chuyển bất kỳ bộ phận nặng nào ra khỏi xe có thể gây ra sự thay đổi trọng lượng quá mức Đảm bảo bảo dưỡng thường xuyên và nếu có bất kỳ điều gì bất thường xảy ra, hãy ngừng sử dụng bàn nâng ngay lập tức và gọi thợ có nhiều kinh nghiệm đến sửa chữa Nếu bàn nâng không được sử dụng trong thời gian dài thì người sử dụng phải: Ngắt nguồn điện, bôi trơn các bộ phận chuyển động bằng dung dịch bôi trơn chuyên dùng [13]
Hình 4 15: Cảnh báo nguy hiểm [13]