Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực trong xe nâng đẩy hàng

Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực trong xe nâng đẩy hàng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học công nghệ của thế giới nói chung và nước ta nói riêng đã vàđang phát triển mạnh; đặc biệt là điều khiển tự động bằng thủy lực, khí nén, điện cũngnhư điện tử Trên các máy công trình ngày nay cũng được hiện đại hóa không chỉ vớihệ điều khiển mà cả hệ truyền lực, hầu như tất cả các chức năng điều khiển và truyềnđộng đều bằng thủy lực Sau khi học xong các môn: thủy khí, máy thủy khí, truyền

động thủy khí động lực, nhóm chúng em làm đồ án môn học với đề tài “ Thiết kế hệ

cô giáo hướng dẫn Phạm Thị Kim Loan, quí thầy cô cùng các bạn, chúng em đãhoàn thành đồ án môn học của mình.Vì thời gian có hạn, kinh nghiệm chưa nhiều, nênkhông thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được quí thầy cô đóng góp thêm ýkiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

Đà Nẵng, ngày 26 tháng 04 năm 2010Nhóm sinh viên thực hiện

1 – Lưu Văn Thịnh2 – Võ Hồng Duy3 – Bùi Văn Việt

Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Thủy Lực Trên Xe Nâng – Đẩy Hàng Hệ thống thủy lực trên xe nâng, đẩy hàng được thực hiện theo sơ đồ sau:

Các số liệu thiết kế:

Tải trọng nâng max (m) 1 tấnHành trình nâng và đẩy (L) 3 mVận tốc nâng max (v) 0,5 m/sCác phần tử trong sơ đồ mạch thủy lực trên:

1 – động cơ điện dẫn động2 – bơm dầu

3 – van tổ hợp bi-piston4 – van tiết lưu

5 – van phân phối6 – xi lanh nâng hàng7 – xi lanh đẩy hàng8 – van cản (van 1 chiều)

I.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực trên

Động cơ điện 1 dẫn động bơm 2, bơm dầu có áp suất pb qua van tràn 3, nhờ vantràn nên dầu vào hệ thống có áp suất không đổi Cho nhánh nâng làm việc, dầuqua van tiết lưu 4, qua van phân phối 5 vào buồng dưới các xi lanh nâng 6, dầu ởbuồng trên của xi lanh lực 6 chảy xuống van phân phối về bể Sau khi các xi lanhnâng thực hiện xong hành trình nâng L, cho nhánh đẩy làm việc bằng cách mở vanphân phối ở nhánh đẩy để các xi lanh đẩy thực hiện việc đẩy hàng với hành trìnhđẩy L’, sau khi thực hiện xong việc đẩy ta đảo chiều van phân phối ở nhánh đẩy đểlui nhánh đẩy về, tương tự ta hạ nhánh nâng xuống.

I.2 Các phần tử thủy lực trong hệ thống

I.2.1.Động cơ thủy lực(xi lanh nâng – đẩy hàng)

Xi lanh lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi áp năng dầu thành cơ năng,thực hiện chuyển động thẳng Dầu có áp suất p1 vào buồng dưới xi lanh, nếu có kểđến tổn thất thì phần dầu trong khoang xi lanh tác dụng lên bề mặt làm việc củapiston tạo nên áp lực cân bằng với phụ tải.

3 4

1 4

6

Hình 1: Sơ đồ mạch thủy lực nâng hàng và đẩy hàng

Cấu tạo của xi lanh có nhiều loại: xilanh tác dụng kép, tác dụng đơn Xi lanhthủy ta dùng trong hệ thống là xi lanh tác dụng kép Sau đây là cấu tạo một số xilanh thông dụng.

Hình 2: Xilanh tác dụng hai chiều, không có bộ phận giảm chấn

Hình 3: Xilanh tác dụng hai chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoang chạy

Hình 4: Xylanh tác dụng đơn dùng lò xo

I.2.2.Van phân phối (van tỷ lệ)

Cơ cấu phân phối dược dùng để đổi nhánh dòng chảy ở các nút của lưới đườngống và phân phối chất lỏng vào các đường ống theo một quy luật nhất định Nhờvậy, ta có thể chiều chuyển động của bộ phận chấp hành hoặc điều khiển nó theomột puy luật nhất định.

Chất lỏng từ bơm trước khi đến động cơ thủy lực qua cơ cấu phân phối Cơ cấulà nơi tập trung các đầu mối lưu thông của chất lỏng Ở đây,chất lỏng từ đến đượcphân phối vào các nhánh khác nhau của lưới đường ống.

Van phân phối được dùng trong hệ thống trên là van tỷ lệ Cấu tao của van cóba bộ phận chính: thân van, con trượt và nam châm điện Để thay đổi tiết diệnchảy của van, tức thay đổi hành trình của con trượt bằng cách thay đổi dòng điện

Hình 5: Sơ đồ kết cấu xi lanh tác dụng kép có cần piston một phía1 – Thân; 2 – Cần piston; 3,8 – Mặt bích hông

4,12 – Vít cố định mặt bích; 6 – Piston5,7,10,11 – Vòng chặn dầu; 9 - Ổ trượt

điều khiển nam châm Có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm viđiều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là van điều khiển vô cấp.

Hình 6: sơ đồ kết cấu và ký hiệu của van tỷ lệ1,5 – cuộn dây của nam châm điện

11 – con trượt piston; 10,12 – lò xo điều khiển con trượt2,4 – piston đóng mở đường dầu điều khiển con trượt piston

Khi con trượt ở vị trí b tức đưa tín hiệu điện vào cuôn dây 1 thì piston 2 sẽ bịhút về phía cuộn dây 1, cho phép dầu điều khiển vào khoang 13 đẩy con trượtpiston 11 mở cửa thông P – A và B – T Lúc này dầu vào xi lanh lực qua van phânphối theo cửa P sang A, dầu ra khỏi xi lanh lực qua van phân phối về bể theo cửaB sang T.

Khi con trượt ở vị trí a thì dầu qua van theo cửa P sang B vào xi lanh lực, dầu raxi lanh qua van về bể theo cửa A sang T.

Khi đồng thời đưa tín điện vào 2 cuôn dây 1, 5 thì con trượt sẽ ở vị trí giữa làmcho các cửa thông của van đều bị khóa, lúc đó hệ thống không làm việc.

I.2.3.Van tiết lưu

Trong quá trình làm việc thực tế sẽ có sự thay đổi phụ tải, lúc này vận tốc củacơ cấu chấp hành sẽ thay đổi Do đó, để điểu chỉnh lại vận tốc cơ cấu chấp hànhngười ta dùng phương án tiết lưu, bộ điều tốc đặt vào hệ thống có thể tại vị trí:đường vào, đường ra hoặc song song với động cơ thủy lực hoặc dùng bơm thayđổi được lưu lượng Tùy theo độ mở của van, ta điều chỉnh lưu lượng qua van dẫnđến điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành Do đặc điểm của hệ thống ta chọn vantiết lưu để thay đổi vận tốc cơ cấu chấp hành khi phụ tải thay đổi Sau đây là mộtsố van tiết lưu:

I.2.4.Van tràn (van tổ hợp bi - piston)

Van tràn được chọn trong hệ thống là van điều chỉnh được hai cấp áp suất (vantổ hợp bi - piston) Trong van này có 2 lò xo với C2 > C1, lò xo 1 (Flx1) tác dụngtrực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh áp suẩt cần thiết.

Khi hệ thống làm việc bình thường van này có tác dụng là van tràn để giữ ápsuất hệ thống không đổi, lúc này dưới tác dụng của áp lực bơm chỉ đủ để nâng bicầu lên một đoạn x cho qua một lưu lương Q nào đó.

Khi hệ thống quá tải hoặc ở những thời điểm van phân phối không lưu thông thìáp suất hệ thống tăng lên max, con trượt piston mở ra đưa toàn bộ dầu về bể Lúcđó, van này có tác dụng là van an toàn.

Sau đây là một số hình ảnh về van an toàn:

1 - Lò xo2 - Bi cầu3 - Lò xo

4 - Van piston (con trượt)5 - Bu lông điều chỉnh6 – Lổ tiết lưu

ca

I.2.5.Van cản (van một chiều)

Van một chiều có tác dụng giữ cho chất lỏng đi theo một chiều nhất định Vanmột chiều có ba bộ phận: vỏ van, nắp van, lò xo giữ nắp van Khi mở van 1 chiềuphải có sức cản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng ít tổn thất năng lượng Vìvậy lò xo giữ van phải thật nhỏ đủ để ép sát nắp van vào đế van và thắng lực masát giữa piston và vỏ van Nếu chất lỏng đi theo chiều ngược lại thì chính áp lựcchất sẽ ép chặt nắp van vào đế van ngăn không cho chất lỏng đi theo chiều ngượclại.

Hình 9: Sơ đồ kết cấu van cản

I.2.6.Bơm

Như đã nói ở trên bơm có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành áp năng Trong cáchệ thống thủy lực thường dùng bơm thể tích tức thực hiện việc biến đổi nănglượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc Khi thể tích buồng làm việctăng thì bơm thực hiện việc hút, khi thể tích buồng làm việc giảm thì bơm thựchiện việc nén và đẩy dầu.

Bơm được sử dụng trong hệ thống trên là bơm bánh răng Là loại bơm đượcdùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản dễ chế tạo Bơm bánh răng gồm có:loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong có thể là răng thẳng, răngnghiêng hoặc răng chữ V Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơnvì dễ chế tạo, tuy nhiên loại ăn khớp trong kích thước nhỏ gọn hơn.

II.Tính Toán Các Phần Tử Thủy Lực Trong Hệ Thống

Hệ thống thủy lực trên gồm 2 nhánh: nâng và đẩy, 2 nhánh thực hiện độc lập nhau và phụ tải trên nhánh đẩy nhỏ hơn phụ tải trên nhánh nâng vì phụ tải nhánh đẩy là lực ma sát do tải trọng nâng tạo ra Do đó, khi nhánh đẩy làm việc có phụ tải tương ứng với tải trọng nâng là 1 trường hợp nhánh nâng làm việc có phụ tải nâng bằng phụ tải đẩy ở trên Nên ta chỉ tính toán và chọn các phần tử ở nhánh nâng, các phần tử ở nhánh đẩy chọn lấy giống nhánh nâng.

Hình 10: Kết cấu bơm bánh răng

II.1 Xi lanh thủy lực

Khi nâng hàng, có 2 xi lanh lực thực hiện việc nâng kết cấu hoàn toàn giốngnhau, do đó các bước tính toán thiết kế được thực hiệ trên 1 xi lanh Tải trọng nânglớn nhất 1 tấn

II.1.1 Tính toán các thông số của xi lanh thủy lực

Trường hợp bỏ qua rò rỉ ở xi lanh lực, dầu vào xi lanh lực áp suất p1 tạo ra côngsuất phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải, công suất tổn hao do ma sátvà công suất của lực quán tính Từ đó, ta có phương trình cân bằng lực của cụmpiston xét ở hành trình công tác:

p1.A1 – p2.A2 – Fms – FN– Fqt = 0 (1)Trong đó : Fms = Fmsp - Fmsc

p1 là áp suất dầu ở buồng công tác p2 là áp suất dầu ở buồng chạy không A1: diện tích piston ở buồng công tác.

DA 

A2: diện tích piston ở buồng chạy không.

dDA  

FN : tải trọng công tác, FN = 1 tấn = 10000 N = 10 kN, lấy g = 10 m/s2

p1 p2 d

d - đường kính cần pistonp1 - áp suất ở buông công tácp2 - áp suất ở buồng raQ1 - lưu lương vào xianh

Fmsp : lực ma sát của piston và xi lanh.

Fmsc : lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít

F  lực quán tính sinh ra ở giai đoạn piston bắt đầu chuyểnđộng

Lực ma sát của piston và xi lanh:

NFmsp 

chọn p2 = 5 bar = 5 kG cm/ 2 = 500000 N/m2

Z - là số vòng găng, chọn Z = 2

pk - là áp suất ban đầu giữa vòng găng và xilanh, pk = (0,07-0,14) kG/ cm2 chọn pk = 0.1 kG/ cm2

 D.b.( p2+ pk) - lực của vòng găng đầu tiên.

 D.b.(z-1).pk - lực tiếp xúc của vòng găng tiếp theo.Thay các giá trị trên vào biểu thức (1) ta được

N = 3,14.8 0,4.[(5+0,1) + ( 2-1).0,1] = 52,2496 kGVậy ta được: Fmsp = 0,1.10 52,2496 = 52,2496 N

Lực ma sát giữa cần piston và vòng khít:

Fmsc = 0,15.f  d.b.pTrong đó :

f- hệ số ma sát giữa cần và vòng chắn, với vật liệu làm bằng cao su thì f =0,1.

d - đường kính cần piston, chọn d = 0,5D = 4 cm.

b - chiều dài tiếp xúc của vòng chắn, chọn b = d = 4 cm p - áp suất tác dụng vào vòng chắn, chính là áp suất p = 5 bar.

0,15 - hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn. Fmsc = 0,1.0,15.3,14.4.4.5 = 3,768 kG

Hay Fmsc = 3,768.10 = 37,68 N

Vậy suy ra: Fms = Fmsp - Fmsc = 52,2496 - 37,68 = 14,5696 N = 0,0145696 kNTrong mỗi lần nâng thì vận tốc xi lanh lực là không đổi, do đó 0

=> Fqt =0

Từ phương trình (1) suy ra:

p1.A1 – p2.A2 = 10 + 0,0145696 = 10,0145696 kN (3)Với: D = 8 cm => A1 = 0,005024 m2

d = 4 cm => A2 = 0,003768 m2

p2 = 5 bar

 p1 = 23,68346 at = 23,68346 bar

II.1.2 Tính áp suất chất lỏng làm việc chính xác cho xi lanh

Trong quá trình làm việc thực tế thì luôn luôn có sự rò rỉ, do đó để chính xáchơn ta thêm vào hệ số kể đến tổn thất áp suất k, chọn k=1,1.

Viết lại phương trình (3):

p1.A1 – p2.A2 = k*10,0145696 kN.

*10,022765 p AA

 p1 = 25,6768 barVậy ta có các thông số sau:

p1 = 25,6768 bar; D = 80 mm; d = 40 mm

II.1.3 Tính lưu lượng cần thiết cung cấp cho xi lanh

Phưong trình lưu lượng :

1 axmmax 1

Q VA (4)Trong đó :

Q1 max- lưu lượng vào xi lanh lực Vmax- vận tốc công tác max

Với Vmax = 0,5 m/s thì lưu lượng lớn nhất cung cấp cho mỗi xilanh là :

31maxmax 1 0,5.0,005024 0,002512( / )

Hay: Q1max 150,72( /l ph)

II.1.4 Kết cấu của xilanh nâng và thông số kỹ thuật

Diện tích bề mặt piston ở buồng công tác A1 0,005024 m2

Diện tích buồng làm việc phía cần piston A2 0,003768 m2

Lưu lượng vào mỗi xi lanh Q1max 150,72 l/ph

II.2 Tính chọn bơm và động cơ điện dẫn động bơm

p - áp suất vào của động cơ thủy lực

Do đặc điểm của hệ thống thủy lực (áp suất nhỏ và lưu lượng lớn) và điển kiệnthực tế, ta chọn bơm sử dụng cho hệ thống là bơm bánh răng vì loại bơm này cókết cấu đơn, dễ chế tạo và giá thành rẽ.

2 - Bánh răng bị động 3 - Vỏ bơm

A - Buồng hútB - Buồng đẩy

Hình 12: Sơ đồ kết cấu bơm bánh răng

Bơm chọn có các thông số sau:

Lưu lượng cung cấp: Qb = 310 (l/ph)Áp suất bơm tạo ra: pb = 30 (bar)

Lưu lượng riêng của bơm: qb = 0,237548 (l/ph)Số vòng quay của bơm: nb = Q.b

q  = 1450 (v/ph), chọn Q= 0,9

II.2.2 Tính và chọn động cơ điện

Công suất bơm tao ra : Nb = p Qbb

612 = 15,19608 kWCông suất trên trục của bơm: Ntr = Nb 15,1960,9

II.3 Tính chọn van phân phối

Độ sụt áp qua van sẽ tỷ lệ với bình phương hệ số diên tích R:pv pp – p1 = (p2 – pr pp).R2 (5)

Đối với các xi lanh không đối xứng thì lưu lượng vào, ra van không bằng nhauvà quan hệ với nhau theo biểu thức sau: Qkc = Qcc.R

Trong đó:

Qkc – Lưu lượng vào buồng không cần

1 – động cơ điện2 – khớp nối đàn hồi3 – Bơm dầu

Hình 13 : Sơ đồ động cơ điện

1

Qcc – Lưu lượng ra buồng có cầnR – Hệ số diện tích, R = 1

Các đại trong phương trình (5):pv pp – áp suất dầu vào vanp1 – áp suất dầu vào xi lanh lựcp2 – áp suất dầu ra xi lanh lựcpr pp – áp suất dầu ra van phân phối

Vậy các thông số của van phân phối:

Áp suất vào van phân phối: pv pp = 27,01014 barLưu lượng qua van: Qpp = 301,44 (l/ph)

II.4 Tính chọn van tiết lưu

Khi tính toán thiết kế van tiết lưu các thông số ta cần quan tâm: lưu lượng dầura của van tiết lưu Qtl , chênh áp vào, ra tại van p và diện tích tiết diện chảy.

Lưu lượng dầu qua khe hở của van tiết lưu được xác định theo công thức:

2.Q .Agp

p1 = pv tl: áp suất vào van tiết lưup2 = pr tl: áp suất ra van tiết lưu

Hình 14: Sơ đồ tính toán van tiết lưu

Trong đó:

 - hệ số lưu lượng; Ax - diện tích mặt cắt của khe hở

 - tổn thất áp suất tại van tiết lưu

 - khối lượng riêng của dẩu kg/m3x 2 .sint

Mà rt = .sin os2

  

v - vận tốc dòng chảy dầu, v = 0,5 m/s = 50 cm/sg – gia tốc trọng trường, lấy g = 10 m/s2 = 1000 cm/s2

 pv tl = 27,03 + 0,0045 + 0,98536221 = 28 bar

Vậy các thông số của tiết lưu nhánh nâng:Áp suất vào tiết lưu: pv tl = 28 bar

Lưu lượng qua tiết lưu: Qtl = 301,44 l/ph

II.5 Tính toán van tổ hợp bi piston

Hình 16: Sơ đồ kết cấu van tràn

II.5.1 Van tổ hợp bi piston có tác dụng là van tràn

Khi áp suất dầu pv_b-p tăng đến pv_b-p 1 tạo áp lực thắng lực lò xo 1 thì bi cầu sẽmở ra dầu qua bi trụ lên van chảy dầu về bể Do sức cản lổ tiết lưu tạo nên sựchênh lệch áp suất phía trên và phía dưới bi trụ p= pd bt - ptr bt , pv_b-p 1 = pd bt 

Nếu bỏ qua ma sát giữa van bi và vỏ van thì phương trình cân bằng lực của bicầu:

pv_b p 1 -ptr bt 2 -Flx 2 04

d – đường kính của lổ tiết lưuD – đường kính lớn nhất của bi trụFlx 2 – lực lò xo 2

Từ 2 phương trình (5) và (6), ta thấy rằng: để giữ cho áp suất vào van trànkhông đổi thì ta phải thay đổi lực Flx1 tương thích với từng giá trị của Ql tl .



Chọn: pv_b-p 1 = 26 bar  ptr bt = pv_b-p 1 – 4,452 = 21,54792 bar

Dưới tác dụng của áp suất dầu ptr bt làm cho bi cầu mở ra với độ mở là x1, ta có

lưu lượng qua van bi là: Ql_b-p = 1

.x dg.(ptr btpr bc) 

l tl

Q2.

Flx1 = ptr bt .

 = 1,522360407 kG

Lực lò xo Flx2 được xác định khi pv_b-p > 26 bar thì lò C2 sẽ bị ép lại và con trượtsẽ đi lên để cho dầu về bể.

0 - chiều dài bị nén ban đầu của lò xo C2 khi con trượt đóng.C2 - độ cứng lò xo 2

Bỏ qua ma sát giữa vỏ van và con trượt, ta có phương trình cân bằng lực tai contrượt: x2

0.C2 = (pv_b p 1  -ptr bt).

=4,452082

= 13,97953745 kG (8)

Với D – đường kính lớn nhất của bi trụ, lấy D =2 cm

Khi áp suất vào van pv_b-p tăng đến pv_b-p 2 thì con trượt mở ra với độ mở là x2

một phần dầu qua cửa 3 của van về bể:

.x dg.(pv b ppr bt) 

Ta có: Q2_b-p = Q1_ht - Q2_ht ; chọn Q2_ht = 303 (l/ph); pv_b-p 2 = 28,5 bar; pr_ bt = 0Suy ra độ mở của van: x2

1 = 0,006669648 cm = 0,066696482 mm.

II.5.2 Van tổ hợp bi piston có tác dụng là an toàn

Khi hệ thống quá tải áp suất hệ thống tăng lên pmax thì độ mở con trượt đạt maxcho toàn bộ lượng dầu về bể để hệ thống giảm tải:

Qmax = 2

.xd g.(ppr bt) 

  , pr bt = 0 vì thông với bể

 x2max =

Trong đó: