tính toán thiết kế hệ thống truyền động thủy lực của cần trục thủy lực di chuyển bánh xích với p = 16 MPa và g = 15 tấn

tính toán thiết kế, hệ thống truyền động thủy lực, của cần trục thủy lực, di chuyển bánh xích, với p = 16 MPa, và g = 15 tấn

Mục Lục 3.1.6 Tính toán đường ống thủy lực và bơm nguồn.

Lời mở đầuHiện nay, hầu hết trên các máy công trình hay thiết bị nâng chuyển và kể cả các loại ôtô thì không thể thiếu hệ thống thủy khí Thủy khí đóng một vai trò rất quan trọng trong

sự phát triển của nền công nghiệp ôtô Là một người kỹ sư, một người thợ về cơ khí động lực không thể nào không nghiên cứu về lĩnh vực này

Kiến thức mà học phần truyền động thủy khí động lực mang lại là giúp chúng ta xây dựng được một hệ thống thủy lực từ đó chúng ta vận dụng kiến thức của học phần thủy khí

và máy thủy khí để tính toán thiết kế và chọn các phần tử thủy lực thích hợp

Học phải đi đôi với hành và đồ án học phần thiết kế hệ thống truyền động thủy khí động lực là cơ hội để chúng ta vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế Không chỉ vậy, qua việc làm đồ án chúng ta còn có thêm khả năng đọc catalogue, đọc và hiểu được sơ

đồ thủy lực của một số máy nâng chuyển Đồng thời trau dồi tiếng anh chuyên ngành

Đề tài em chọn là tính toán thiết kế hệ thống truyền động thủy lực của cần trục thủy lực di chuyển bánh xích với p = 16 MPa và G = 15 tấn Do lần đầu làm quen với việc tính toán thiết kế hệ thống thủy lực lắp trên máy nên bài làm cũng không tránh khỏi sai sót, mong quý thầy cô thông cảm và góp ý cho em để hoàn thành đồ án được tốt hơn

Đà nẵng, ngày … tháng … năm 2017 Sinh viên thực hiện

Cao Văn Trung

1 Chọn máy mẫu(catalog) :

1.1 Giới thiệu chung về cần trục bánh xích :

Cần trục là một loại máy móc thiết bị nâng hạ Đặc điểm chung của cần trục là hệ máy móc kết hợp sử dụng dây cáp cùng hệ pa lăng để treo móc vật nâng, và thường dùng cơ cấutay cần hay dầm cầu hoặc khung cổng để cẩu các vật nặng thi công, lắp ráp các công trình xây dựng, hay cẩu bốc xếp hàng hoá

Cẩu bánh xích là loại cẩu có bộ phận di chuyển là bánh xích, sức nâng của cẩu bánh xích được thiết kế lớn hơn sức nâng của cẩu bánh lốp rất nhiều

 Ưu, nhược điểm của cần trục bánh xích

+ Có khả năng di chuyển ổn định trên các loại địa hình, đặc biệt là các địa hình có

nền đất mềm mà không bị mắc kẹt Do đó cẩu xích có thể di chuyển đến một vùnglàm việc nào đó chưa được tính toán trước về nền đất mà không lo mắc kẹt

+ Độ ổn định làm việc cao

- Nhược điểm:

+ Tốc độ di chuyển khá chậm ( 1,5-3,6 km/h )+ Khó khăn khi di chuyển đường xa Khi di chuyển từ công trường này đên công trường khác phải có thiết bị vận tải chuyên dùng => chi phí cho vận chuyển lớn+ Trọng lượng xe lớn

 Phạm vi sử dụng :

Do tải trọng nâng lớn, khả năng di động vạn năng nên cần trục bánh xích được sử dụngrộng rãi trên các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, và hoàn toàn có khả năng thay thế các cần trục tháp chuyên dụng

1.2 Chọn máy mẫu : Hitachi KH100-D

Tên máy : Hitachi KH100-D

Hệ thống thủy lực

2 Sơ đồ thủy lực và nguyên lý hoạt động

2.1 Sơ đồ thủy lực (bảng vẽ A3)

Khi làm việc ở chế độ nâng cần, cơ cấu phân phối (6a) được đẩy ở vị trí (I) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2a), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều(4a), qua cơ cấu phân phối (6a) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng cần (10) thực hiện việc nâng cần, đồng thời cấp dầu vào khoang trên của xilanh thủy lực để rút cần piston về, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại thùng chứa

Ngược lại, khi làm việc ở chế độ hạ cần, cơ cấu phân phối (6a) được đẩy ở vị trí (III) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2a), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều(4a), qua cơ cấu phân phối (6a) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng cần (10) thực hiện hạ cần, đồng thời cấp dầu vào khoang dưới của xilanh thủy lực để đẩy cần piston đi ra, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại thùng chứa

Khi đẩy con trượt ở vị trí II: Dầu từ bơm (2a) qua van an toàn (3a) trở về thùng chứa

- Hệ thống di chuyển bánh xích

Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu di chuyển bánh xích được điều khiển nhờ van phân phối 6b, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 12b để điều khiển cơ cấu phanh 11b,11c cho động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên trái và bên hoạt động đồng thời vớinhau tạo nên chuyển động

Khi làm việc ở chế độ di chuyển tới, cơ cấu phân phối (6b) được đẩy ở vị trí (I) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua vanmột chiều(4b), qua cơ cấu phân phối (6b) đến động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên trái (13) và động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên phải (14) thực hiện việc di chuyển tới, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu (5b) qua lọc dầu (1)

về lại thùng chứa

Ngược lại, khi làm việc ở chế độ di chuyển lui, cơ cấu phân phối (6b) được đẩy ở vị trí (III) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều, qua cơ cấu phân phối (6b) đến động cơ thủy lực di chuyển bánh xích (13) và (14) và thực hiện di chuyển lui sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối(6b) rồi qua tiết lưu(5b) qua lọc dầu (1) về lại thùng chứa

Khi đẩy con trượt ở vị trí II: Động cơ thủy lực thực hiện nâng hàng không hoạt động Dầu

từ bơm (2b) qua van an toàn (3b) qua lọc dầu (1) trở về thùng chứa

- Hệ thống nâng hạ hàng

Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu nâng hạ hàng được điều khiển nhờ van phân phối 6d, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 12d để điều khiển cơ cấu phanh 11d cho động cơ thủy lực nâng hạ hàng hoạt động

Khi làm việc ở chế độ nâng hàng, cơ cấu phân phối (6d) được đẩy ở vị trí (I) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều(4d), qua cơ cấu phân phối (6d) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng (15) thựchiện nâng hang, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu(5d) về lạithùng chứa

Ngược lại, khi làm việc ở chế độ hạ hàng, cơ cấu phân phối (6d) được đẩy ở vị trí (III) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều, qua cơ cấu phân phối (6d) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng (15) thực hiện hạ hàng sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại thùng chứa

Khi đẩy con trượt ở vị trí II: Động cơ thủy lực thực hiện nâng hàng không hoạt động Dầu

từ bơm (2b) qua van an toàn (3d) trở về thùng chứa

-Hệ thống quay toa

Khi quay toa sang trái cơ cấu phân phối (6e) ở vị trí (I) Dầu từ thùng chứa được hút lênnhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều, qua cơ cấu phân phối (6e) đến động cơ thủy lực quay toa (16) sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu(5e) về lại thùng chứa

Ngược lại, Khi quay toa sang phải cơ cấu phân phối (6e) ở vị trí (III) Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một

chiều, qua cơ cấu phân phối (6e) đến động cơ thủy lực quay toa (16), sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu(5e) về lại thùng chứa

Hệ thống được phanh bằng cách ngắt dòng dầu đến động cơ thủy lực, đẩy cơ cấu phân phối (6e) sang vị trí (II) kết hợp cơ cấu phanh đĩa thủy lực (17), nhờ điều khiển cần (8) tác dụng vào piston của xilanh bầu phanh (7) cấp dầu cho xilanh con, thực hiện công việc phanh động cơ thủy lực

Trên đường ống đẩy của các bơm ta có đặt một van an toàn loại tràn, nó có nhiệm vụ bảo đảm cho hệ thống được an toàn khi quá tải và ổn định được áp suất làm việc cho hệ thống

Dầu hồi chảy trong đường ống hồi dầu, qua các van tiết lưu, qua lọc dầu (1) về thùng chứa Ở đây ta dùng van tiết lưu điều chỉnh được và đặt ở lối ra động cơ thủy lực để điều chỉnh vận tốc của động cơ thủy lực

3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

3.1 Tính toán h th ng th y l c nâng h c n ệ thống thủy lực nâng hạ cần ống thủy lực nâng hạ cần ủy lực nâng hạ cần ực nâng hạ cần ạ cần ần

3.1.1 Tính l c tác d ng lên c n tr c ực nâng hạ cần ụng lên cần trục ần ụng lên cần trục

- Tải trọng nâng : 15 tấn= 15000 kg

- Chọn vị trí làm việc tại góc 

- Chọn thời điểm làm việc lúc cần nâng dài 16 m

- Khi đặt tải trọng vào cần trục : P = 15000.9,81 = 147150 N

- Trọng lượng của cần là : mC = 1520 kg => Gc= 1520.9,81= 14911,2 N

F1 : Lực giữ cần trục

F2 : Lực tác dụng vào xilanh nâng hạ cần trục

F3 : Phản lực tác dụng lên chổ đặt cần trục

Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cần như sau:

Chọn thời điểm làm việc lúc cần nâng dài 16m, nên :

∑Fx = 0  F3.cos530 - F2.cos(530 -210 )- F1.cos(530 -290 )= 0

 F3.cos530 - F2.cos320 - F1.cos240 =0

∑Fy = 0  F3.sin530 - F2.sin(530 -290)- F1.sin(530 - 290 ) -P - Gc = 0  F3.sin530 - F2.sin320 - F1.sin240 = 181681,2

∑MA = 0  F1.AH2 + F2.AH1 - Gc.AD.cos530 - P.AC.cos530 = 0

 F1.7,76 + F2.1,86 = 1513112,3

Giải hệ phương trình ta được :

F1 = 192012,5 N

F2 = 12393,2 N

F3 = 308935,9 N

3.1.2 Tính toán l c tác d ng lên đ ng c th y l c nâng h c n ực nâng hạ cần ụng lên cần trục ộng cơ thủy lực nâng hạ cần ơ thủy lực nâng hạ cần ủy lực nâng hạ cần ực nâng hạ cần ạ cần ần

Động cơ thủy lực biến năng lượng thủy lực từ bơm dầu thành momen quay để dẫn động tang tời quay tròn làm việc

Trên xe cần trục bánh xích thì động cơ thủy lực kéo tời và động cơ thủy lực quay toa làmviệc với áp suất dầu rất cao (14 MPa) Vì công suất máy lớn và làm việc với momen cao và

áp suất cao Chính vì lý do đó mà ta phải chọn loại động cơ thủy lực làm việc với áp suất cao Vì vậy ta chọn động cơ thủy lực loại piston roto hướng trục, vì loại này có đặc điểm sau:

- Áp suất làm việc không phụ thuộc vào lưu lượng và số vòng quay

- Dễ dàng điều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vòng quay không đổi

- Hiệu suất cao (tổn thất do cơ khí nhỏ, tổn thất rò rỉ ít)  = 0,97 – 0,98

- Việc đưa chất lỏng vào ra khỏi xylanh thực hiện thông qua đĩa phân phối

*C u t o và nguyên lý ho t đ ng B m-đ ng c piston roto h ạ cần ạ cần ộng cơ thủy lực nâng hạ cần ơ thủy lực nâng hạ cần ộng cơ thủy lực nâng hạ cần ơ thủy lực nâng hạ cần ướng trục ng tr c ụng lên cần trục

Hình 3.1 Bơm – Động cơ piston roto hướng trục

Máy piston roto hướng trục bao gồm khối xilanh (1) quay (còn gọi là roto) và một đĩa nghiêng cố định (vành stato) Khi roto quay, do lực đẩy của lò xo mà đầu piston trụ (2)

sẽ tì vào mặt đĩa nghiêng (3), vì đĩa nghiêng một góc  so với đường tâm của trục roto nên

1 2

B

A a

b

piston có chuyển động tịnh tiến trong khối xilanh, tạo nên các quá trình hút và đẩy của bơm.

Mặt đáy của khối xilanh được lắp sát với một nắp cố định (4) Trên nắp có 2 rãnh hình vòng cung A và B đóng vai trò bọng hút và bọng đẩy, hai rãnh này thông với 2 lỗ a và

b được khoan theo phương dọc trục của nắp (4) để dẫn chất lỏng ra vào Nắp (4) đóng vai trò đĩa phân phối

Khi roto quay theo chiều mũi tên như hình vẽ, khi đầu piston tì trên nửa trái của đĩa nghiêng thì piston có chuyển động đi ra, piston đang thực hiện quá trình hút Lúc này lỗ xilanh thông với rãnh vòng A trên đĩa phân phối, chất lỏng từ ống hút được hút vào xilanh qua lỗ dẫn a trên đĩa phân phối; rãnh A lúc này đóng vai trò bọng hút

Ngược lại, ở nửa vòng quay còn lại, đầu piston tì vào nửa bên phải của đĩa nghiêng, piston chuyển động đi vào, lúc này lỗ xilanh thông với rãnh vòng B và lỗ dẫn b trân đĩa phân phối, rãnh B lúc này đóng vai trò bọng đẩy

Nếu máy piston roto hướng trục làm chức năng là động cơ thì áp suất chất lỏng tác dụng lên piston làm đầu piston tì vào thành đĩa nghiêng, sinh ra momen làm roto quay

** Tính toán :

- Áp lực tác dụng lên piston: P= p π⋅d

24

- Lực P thông qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực:

+ N = P.cos: thẳng góc với mặt phẳng đĩa bán kính R

+ Q = P.sin: nằm trong mặt phẳng đĩa, song song trục x

- Lực Q gồm 2 thành phần:

+ Lực tiếp tuyến T = Q.sin tạo momen quay

+ Lực hướng tâm Qn = Q.cos

N P Q

o

x

x

x x

+  : Hiệu suất của ròng rọc Chọn =0,97 với loại ổ lăn, điều kiện làm việc ở nhiệt

độ cao, bôi trơn kém

+ a: Bội suất của Palăng Chọn palăng có bội suất a=12+ m: số ròng rọc dẫn về tang, không tham gia việc làm thay đổi bội suất m=1Vậy lực căng dây tác dụng lên tang:

M Σ=P R r tg γ ∑

i=0

m sin (ϕ+ia )=19396,97×0,21

.i=91

12070.15=796,25vòng/phút

3.1.3 L u l ư ượng của động cơ thủy lực ng c a đ ng c th y l c ủy lực nâng hạ cần ộng cơ thủy lực nâng hạ cần ơ thủy lực nâng hạ cần ủy lực nâng hạ cần ực nâng hạ cần

- Lưu lượng lý thuyết trung bình

+ Lưu lượng của động cơ Q lt  90,05 l/phút

3.1.4 Ph ươ thủy lực nâng hạ cần ng trình cân b ng l c c a c m xilanh nâng h c n ằng lực của cụm xilanh nâng hạ cần ực nâng hạ cần ủy lực nâng hạ cần ụng lên cần trục ạ cần ần

Xem lực tác dụng lên 2 xilanh nâng hạ cần là bằng nhau , ta có :

- p1: áp suất dầu ở buồng công tác 1

- p2: áp suất dầu ở buồng công tác 2

- A2 : tiết diện piston buồng công tác 2

μ - Hệ số ma sát ướt Phụ thuộc cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang, ngoài

ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu μ = ( 0,09 ÷ 0,15 ) , chọn μ = 0,1

N - Lực của các vòng găng tác dụng lên xilanh và được tính:

N = π.D.b.(p2 + pk) + π.D.b.(z - 1).pk

b – Bề rộng vòng găng, chọn b = 20 mm

p2 - Áp suất buồng mang cần piston, chọn p2 = 0,4 MPa

z - Số vòng găng, chọn z = 3

pk - Áp suất giữa vòng găng và xilanh, pk ( 0,7 ÷ 1,4 ) kG/cm2

Ban đầu chọn pk = 1 kG/cm2 = 9,81.104 N/m2

Lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít:

Fmsc = 0,15.f.π.d.c.pTrong đó:

0,15: Hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn

f - Hệ số ma sát ướt giữa cần và vòng chắn, phụ thuộc cặp vật liệu cần piston là thép

và vòng chắn bằng gang, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu chọn f = 0,1

d - Đường kính cần piston, chọn d=0.7D

c - Chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn c = d

p - Áp suất tác dụng vào vòng chắn, p = p2 = 0,4 MPaLực quán tính:

Fqt = m.a

m - Khối lượng cụm chuyển động liên quan đến piston

a - Gia tốc chuyển động của cụm piston chuyển động tịnh tiến

Vì vận tốc khi nâng hạ cần là ổn định ( có thể thay đổi nhưng rất nhỏ ), vậy nên gia tốc a sẽ có giá trị vô cùng nhỏ Do đó Fqt sẽ có giá trị rất nhỏ, để đơn giản trong quá trình tính toán ta bỏ qua Fqt.Điều kiện để hạ được cần trục :

+ ¿ π.D.0,02.(3-1) 9,81.104 ] + 0,15.0,1.π (0,7D)2.0,4.9,81.105+6196,6=0

Do áp suất làm việc lớn 16 MPa, để đảm bảo điều kiện làm việc của cần, với áp suất

và tải trọng lớn chọn: d = 0,7D

↔ 12170432,53.D2 – 4314.66.D – 6196,6≥0 ↔ D ≥ 0,023 m= 23 mm

Để cần có thể làm việc được thì D  23 mm

Tra bảng đường kính xilanh chọn theo tiêu chuẩn ISO 6022 kiểu CDH :

- Đường kính trong của xilanh: D = 40 mm

- Đường kính của cần piston: d = 30 mm

Ta viết phương trình cân bằng xét cho cụm piston ở hành trình công tác nâng cần :

P1.A1 – p2.A2 – Fmsp – Fmsc – Ft –Fqt = 0

Trong đó:

- p1: áp suất dầu ở buồng công tác 1

- p2: áp suất dầu ở buồng công tác 2, p2 = 16 MPa

- A2 : tiết diện piston buồng công tác 2

μ - Hệ số ma sát ướt Phụ thuộc cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang, ngoài

ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu μ = ( 0,09 ÷ 0,15 ) , chọn μ = 0,1

N - Lực của các vòng găng tác dụng lên xilanh và được tính:

0,15: Hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn

f - Hệ số ma sát ướt giữa cần và vòng chắn, phụ thuộc cặp vật liệu cần piston là thép

và vòng chắn bằng gang, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu chọn f = 0,1

d - Đường kính cần piston, chọn d=0.7D

c - Chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn c = d

p - Áp suất tác dụng vào vòng chắn, p = p2 = 16 MPaLực quán tính:

Fqt = m.a

m - Khối lượng cụm chuyển động liên quan đến piston

a - Gia tốc chuyển động của cụm piston chuyển động tịnh tiến

Vì vận tốc khi nâng hạ cần là ổn định ( có thể thay đổi nhưng rất nhỏ ), vậy nên

gia tốc a sẽ có giá trị vô cùng nhỏ Do đó Fqt sẽ có giá trị rất nhỏ, để đơn giản trong quá trình tính toán ta bỏ qua Fqt

Điều kiện để nâng được cần trục :

Do áp suất làm việc lớn 16 MPa, để đảm bảo điều kiện làm việc của cần, với áp suất

và tải trọng lớn chọn: d = 0,7D

↔ 5770554,04.D2 – 100470,018.D – 6196,6≥0 ↔ D ≥ 0,043 m= 43 mm

Để cần có thể làm việc được thì D  43 mm Tra bảng đường kính xilanh chọn theo tiêu chuẩn ISO 6022 kiểu CDH :

- Đường kính trong của xilanh: D = 50 mm

- Đường kính của cần piston: d = 30 mm