Chương 6 - Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực

Chương 6 - Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực (Phần 6 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 6 - Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực6.1 Mục đích

Giới thiệu phương pháp tính toán thiết kế một hệ thống truyền động thủy lực thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay qua các ví dụ với các số liệu cụ thể Vấn đề chính trong tính toán này là xuất phát từ yêu cầu của cơ cấu chấp hành để tính toán xilanh đối với hệ

chuyển động tịnh tiến hoặc tính toán moto thủy lực đối với hệ thống chuyển động quay Từ đó, tính toán bơm dầu, công suất động cơ điện để lựa chọn bơm và động cơ điện phù hợp với yêu cầu truyền động của cơ cấu chấp hành Các tính toán khác trong các ví dụ là giới thiệu thêm để người đọc tham khảo khi thiết kế chi tiết cho những thiết bị yêu cầu tính chính xác cao hoặc là những mẫu máy mới

Các cơ cấu chấp hành, cơ cấu biến đổi năng lượng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, cũng như các phần lớn các thiết bị phụ khác trong hệ thống thủy lực đều được tiêu chuẩn hóa Do đó, việcthiết kế hệ thống thủy lực thông thường là việc tính toán lựa chọn thích hợp các cơ cấu trên.6.2 Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực

1 Yêu cầu đặt ra

- Chuyển động thẳng: v ; F t ; x và các yêu cầu khác như hành trình, điều chỉnh và ổn định tốc độ,

…

- Chuyển động quay: Ω(n), M x, các yêu cầu khác như điều chỉnh và ổn định tốc độ,…

2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

3 Tính toán các thông số cho cơ cấu chấp hành thủy lực (theo giá trị lớn nhất) dựa vào tải trọng

và vận tốc:

- Xilanh thủy lực: A1, A2,Q1,Q2, p1, p2

- Mô tơ thủy lực: D m ,Q , p1, p2

4 Xác định áp suất và lưu lương cung cấp của bơm: p0,Q0

5 Xác định công suất của động cơ điện, số vòng quay (n b)

6 Chọn các phần tử thủy lực khác

6.3 Các ví dụ

6.3.1 Ví dụ về tính toán hệ truyền động thủy lực của máy tổ hợp

Để thực hiện lượng chạy dao của máy tổ hợp, trong trường hợp tải trọng không thay đổi và với các số liệu ban đầu như sau:

Lực chạy dao lớn nhất: F max=12000 N

Lượng chạy dao nhỏ nhất: smin =v min =20 mm/ ph

Lượng chạy dao lớn nhất: smax=vmax=500 mm/ ph

Trọng lượng bàn máy: G =4000 N

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực lựa chọn như hình 6.1

Đây là hệ thống thủy lực điều chỉnh bằng tiết lưu Lưu lượng dầu tối thiểu chảy qua van tiết lưu

ta chọn là:

Q min=0 ,1l/ ph

Q min lựa chọn tùy thuộc vào khả năng dẫn dầu tối thiểu của van tiết lưu được tính toán theo các

công thức ở chương 3 hoặc dựa theo tính năng kỹ thuật của van

Từ đó, ta xác định các tiết diện làm việc của piston:

Với lưu lượng Q1=5l/ ph, đường kính trong d=6 mm, độ dài l1=1m, ta xác định được tổn thất

áp suất của ống dẫn ở đường vào là ∆ p2=1,25¯¿ và của ống dẫn ở đường ra có chiều dài

Nếu tính tổn thất do bộ lọc gây nên thì có thể lấy p0=20¯¿

Nếu lấy vận tốc lùi dao nhanh là v0=5000 mm/ ph thì lưu lượng cần thiết để thực hiện chay dao

Để thực hiện lượng chạy dao của máy tổ hợp, trong trường hợp tải trọng của máy thay đổi hoặcdao động với tần số thấp thì cần phải dùng bộ ổn tốc.

Các số liệu ban đầu là:

Lực chạy dao lớn nhất: F max =20000 N

Lượng chạy dao nhỏ nhất: s min=v min=20 mm/ ph

Lượng chạy dao lớn nhất: s max=vmax=1000 mm/ ph

Trọng lượng bàn máy: G=5000 N

Hệ số ma sát: μ=0 ,2.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực lựa chọn như hình 6.2

Lượng chạy dao cần thiết được điều chỉnh bằng van tiết lưu của bộ ổn tốc và ta cũng chọn lượng dầu nhỏ nhất chảy qua van tiết lưu là:

Đối với hệ thống thủy lực làm việc với tải trọng thay đổi càn chú ý đến sự thay đổi đột ngột của

cơ cấu chấp hành khi tải trọng chấm dứt, do sự đàn hồi của dầu gây nên

Nếu tải trọng F max ngừng tác dụng thì áp suất p1 giảm đến trị số nhỏ nhất p1

Do sự đàn hồi của cột dầu trong xilanh, khi áp suất giảm, thể tích sẽ tăng Sự thay đổi thể tích được tính toán theo công thức (1-52) ở chương 1:

Các tính toán khác tương tự như ví dụ ở mục 6.3.1

6.3.3 Ví dụ tính toán hệ truyền động thủy lực của máy mài

Trên máy mài thường dùng hệ thống thủy lực để thực hiện chuyển động tịnh tiến của bàn máy, tốc độ di chuyển của bàn máy sử dụng phương pháp điều chỉnh bằng tiết lưu Ví dụ tính toán cho hệ thủy lực với các số liệu ban đầu là:

Tải trọng lớn nhất: F max=800 N

Vận tốc lớn nhất của bàn máy: v max=2.104

mm / ph Vận tốc nhỏ nhất của bàn máy: vmin=100 mm/ ph

Trọng lượng của bàn máy: G =3000 N

Hệ số ma sát: μ =0 ,2

Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực như hình 6.3

Chiều dài ống dẫn từ van đảo chiều đến xilanh: l1=2m, và từ van đảo chiều đến bơm dầu

l2=1m

Chọn lưu lượng dầu tối thiểu qua van tiết lưu: Qmin=0 ,2l/ ph

Bề mặt tác dụng của piston ở hai buồng như nhau, bề mặt tác dụng cần thiết của piston là:

Các tổn thất áp suất có thể lấy như sau:

Tổn thất áp suất ở cửa vào cũng như ở cửa ra của van đảo chiều trong trường hợp có lưu lượng lớn nhất có thể lấy:

Các tính toán khác cũng tương tự như ở ví dụ 6.3.1

6.3.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Từ yêu cầu đặt ra có thể thiết kế sơ đồ nguyên lý truyền động thủy lực tạo chuyển động quay như hình 6.4.

6.3.4.2 Tính toán áp suất qua động cơ thủy lực

Nếu coi áp suất dầu qua van phân phối có tổn thất thì áp suất p1 và p2 trong hệ chuyển động quay được xác định là:

p1= p2+20 π M x

q đ ¯¿

Trong đó:

p s : áp suất dầu vào van phân phối;

p T : áp suất dầu ra khỏi van phân phối để về bể dầu, chọn pT=4 ¯¿;

p1 : áp suất vào động cơ thủy lực;

p2 : áp suất ra khỏi động cơ thủy lực, ví dụ chọn p2=30¯¿;

6.3.4.3 Lưu lượng qua động cơ thủy lực

Lưu lượng qua động cơ để đảm bảo quay với tốc độ nmax và nmin được xác định như sau:

Q max=11,11l/ ph Nếu bỏ qua sự thay đổi của tổn thất theo lưu lượng thì mối quan hệ giữa tốc

độ quay của trục động cơ hoặc lưu lượng của dầu của động cơ là tuyến tính và được biểu diễn như hình 6.5

Để đảm bảo lưu lượng tính toán cho toàn bộ hệ thống ta sử dụng lưu lượng Qmax=11,11l/ ph

để tính toán sau này

Nếu kể đến tổn thất lưu lượng ∆ Q qua các cơ cấu trong hệ thống và qua ống dẫn thì lưu lượng cần thiết của hệ là:

Q =Qmax+∆ Q

Ta chọn sơ bộ tổn thất lưu lượng:

∆ Q =1l/ ph

Vậy ta nên chọn vận tốc chất lỏng sao cho tổn thất áp suất trong ống dẫn không quá 5÷ 6 % áp suất làm việc, nên thông thường chọn vận tốc dòng chảy là v=2,5 m/s.

Các thông số dầu công nghiệp:

+ Khối lượng riêng: γ=(890÷ 930), chọn 900 kg/m3

+ Giới hạn nhiệt độ làm việc: T =(10÷ 70)℃

Tổn thất dọc đường là tổn thất xảy ra trên đường di chuyển của chất lỏng, chủ yếu là do ma sát

Ta có công thức tính tổn thất áp suất dọc đường khi chất lỏng chảy tầng:

Tổn thất cục bộ là tổn thất xảy ra khi dòng chất lỏng chảy qua các thiết bị thủy lực như van hoặc

do biến dạng hay thay đổi hướng vận tốc của dòng chảy Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ được tính theo công thức sau:

Δ p2=10−4 ξ γ v

2

2 g ¿Vậy tổn thất toàn bộ là:

γ : khối lượng riêng của dầu, 914 kg/m3;

g : gia tốc trọng trường, 9 , 81 m/ s2;

ξ v=(0 ,5÷ 1,0) : hệ số cản vào ống, phụ thuộc vào độ đồng đều của tiết diện chảy;

ξ : hệ số tổn thất cục bộ, được xác định theo từng loại thiết bị:

Van cản không tính lực lò xo: ξ van=2÷ 3

Van phân phối: ξ =2÷ 4

Đối với các chỗ ngoặt trong các cơ cấu và đầu nối có cùng lỗ thông, hệ số cản ξ chọn theo từng trường hợp lựa chọn như hình 6.3

l : chiều dài ống dẫn l ta chọn sơ bộ như sau:

Từ bơm đến van tiết lưu: l =100 cm

Từ van tiết lưu đến bộ lọc: l =100 cm

Từ bộ lọc đến van phân phối: l =100 cm

Từ van phân phối đến động cơ dầu: l =100 cm

Vậy tổn thất áp suất được tính là:

+ Tổn thất áp suất từ bơm 1 đến van tiết lưu 3:

+ Tổn thất từ van phân phối 5 đến đông cơ thủy lực 6:

+ Tổn thất trên van an toàn 2 ta chọn: Δ p2=2¯¿

Vậy tổn thất từ bơm đến động cơ thủy lực là:

Dựa vào đặc điểm làm việc của hệ thống thủy lực và điều kiện thực tế để lựa chọn loại bơm Ví

dụ này ta chọn bơm bánh răng, có các thông số cần thiết như sau:

Lưu lượng của bơm cần cung cấp cho hệ thống: Qb =0 ,84 m3

/h=14 l/ ph

Áp suất của bơm là: pb=95¯¿

Lưu lượng riêng của bơm: D b =10 cm3

/vg

Số vòng quay của bơm dầu là: nb= Q b

D b=14000

10 =1400 v / ph Chọn: nb=1450 v / ph

Công suất cần thiết của bơm: N0=p b Q b

612 =95.14

612 =2,17 kW Công suất thực tế để quay bơm dầu: N = N η0

Số vòng quay: nmax =500 v / ph;n min =50 v / ph

Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực: D d=0 ,02l/v

Lưu lượng vào của động cơ thủy lực: Qd =11,11l/ ph

Áp suất vào của động cơ thủy lực: pd=61, 4 ¯¿

Công suất làm việc của động cơ:

N d=p d Q d

612 η=61 , 4.11,11

612.0 ,75 =1,57 kW

b) Tính chọn van phân phối: chọn van Solenoid 4/3

Áp suất dầu qua van phân được tính theo công thức:

p s và pT : áp suất vào và ra của van phân phối;

p1 và p2 : áp suất vào và ra của động cơ thủy lực

c) Tính chọn van tiết lưu

Lưu lượng dầu Q qua khe hở của van tiết lưu được tính theo công thức Torixelli như sau:

Q2=μ A x √2 g

ρ ∆ p

Trong đó:

μ : hệ số lưu lượng;

A x : diện tích mặt cắt của khe hở;

∆ p =0 ,11¯¿ là tổn thất áp suất qua van tiết lưu (đã tính);

ρ : khối lượng riêng của dầu, [kg /m3];

A x ≈ 2 μ π r h sin α √2 g

ρ ∆ p Với: Q=11,6l/ ph=193 ,34 cm3

khi đó áp suất trước van tiết lưu là: p =∆ p+ ps.

Với ∆ p=2, 43¯¿ là tổn thất từ van tiết lưu đến van phân phối:

p s=87 , 4 ¯¿ là áp suất vào van phân phối

Nên p=2, 43+87 , 4=89 ,83¯¿

Qua tính toán và phân tích những ưu và nhược điểm, tính chất làm việc của van tiết lưu trong điều kiện làm việc ta chọn loại van tiết lưu có kết cấu như hình 6.7

d1 : đường kính tiết diện chảy của van bi, chọn d1=3 mm=0 ,3 cm;

p2 : áp suất ra của van, thông với bể, nên p2=0;

x : độ mở của van bi:

Khi áp suất tăng đột ngột và dưới một áp lực dầu cần thiết p 1 ct đưa vào để là nâng con trượt đi

lên một đoạn x12 và mở thông với cửa 3 Khi đó lưu lượng qua cửa 3 về bể:

Tức là khi pmax=92¯¿ thì con trượt dịch chuyển một đoạn x12=0 ,8 mm.

Giả sử bỏ qua lực ma sát thủy động thì phương trình cân bằng lực tại con trượt khi đạt độ mở lớn nhất:

thì chỉ có van tràn làm việc

e) Tính toán van cản (hình 3.8)

Kích thước của van cản như sau: d =12mm; D=18 mm;α=90° ; β=45°.

Áp suất ra khỏi van phân phối để về van cản là pT=4 ¯¿ và ta cũng lấy tổn thất áp suất qua van

F =π d h sin α

2 : diện tích mặt cắt ngang của khe hở thông;

h : độ mở của van theo hướng trục

Xác định lực lò xo: để đảm bảo độ kín khít ta tính lực lò xo sao cho độ chênh áp giữa cửa vào và

cửa ra của van cản là ∆ pc=2¯¿

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

p0=h0.C =∆ pc π d

2

4 =2.3 ,14. (1,2)2

4 =2,26 ¯¿Trong đó:

h0 : độ nén ban đầu của lò xo;

Đường ống dẫn dầu từ van phân phối đến động cơ dầu với lưu lượng đi vào cơ cấu chấp hành

(động cơ) Q=11,11l/ ph và áp lực là 61,4 bar, chọn vận tốc chảy của dầu ở đoạn ống này là 2,5

m/s, đường kính ống dẫn là:

d =4 ,6.√Q

v =4 ,6.√11,11

2 ,5 =9 ,97 mm ; ta chọn d =10 mm

Đối với ống dẫn ở đường đẩy dầu từ bơm đến các cơ cấu điều khiển, ta tính toán như trên với

Q =12,8l/ ph, áp suất là p=90¯¿ Chọn vận tốc dòng chảy ở đoạn ống này là: v =2m/ s Vậy ta

có đường kính của ống đoạn này là:

d =4 ,6.√Q

v =4 ,6.√11,11

2 ,5 =9 ,97 mm ; ta chọn d=10 mm

Đối với ống dẫn ở đường đẩy dầu từ bơm đến các cơ cấu điều khiển, ta tính toán như trên với

Q =12,8l/ ph, áp suất là p=90¯¿ Chọn vận tốc dòng chảy ở đoạn ống này là: v =2m/ s Vậy ta

có đường kính của ống đoạn này là:

d =4 ,6.√Q

v =4 ,6.√12 ,6

2 =11,6 mm ; ta chọn d=12mm Đối với đường ống hút từ bể dầu đến bơm, với Q=14 l/ ph; p=95¯¿ Chọn v=1,5 m/s, ta có:

p : áp suất dầu trong ống, bar;

D , d : đường kính ngoài và trong đường ống, mm

Chiều dày của ống là: t= D −d2 =23−15

i) Tính và chọn động cơ điện

Ta có áp suất và lưu lượng làm việc của bơm dầu là: p =95¯,Q=14l/ ph

Công suất của bơm dầu là: N = pxQ

612=95 x 14

612 =2,17 kW Công suất thực tế để quay bơm dầu là: N b= N

η=2 ,17

0 , 9 =2, 41 kW (η=0 ,85÷ 0 ,9) Công suất của động cơ điện: N d= N b

η k =2 , 41

1 =2, 41 kW (ηk là hiệu suất khớp nối, chọn ηk=1)

Ví dụ chọn loại động cơ điện không đồng bộ ba pha A02-41-4 có:

Công suất động cơ: N d =2,8 kW

b : chiều dài bể dầu, b=2a;

h : chiều cao mực dầu trong bể, h=0 ,8 H;

H : chiều cao bể dầu, H =1, 4.a

Ta có: 2,24.a3

=45⟹ a=√3 45

2 ,24 =2,8 dm=28 cm.

Từ đó có thể chọn: a =28 cm;b=56 cm; H =30 cm.