Nghiên cứu này tính toán xi lanh thủy lực để tạo ra lực cắt cho máy cắt ống thép D45. Tổn thất hệ thống được tính toán để lựa chọn các thông số của bơm thủy lực nhằm nâng cao hiệu suất của động cơ dẫn động bơm.
TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 STUDY THE DYNAMICS OF THE D45 STEEL PIPE CUTTER AND IDENTIFY SYSTEM LOSSES TO IMPROVE HYDRAULIC PUMP EFFICIENCY Trieu Quy Huy1*, Tran Thi Huong2, Vu Van Dam3 of Economics – Technology for Industries - University of Technology 3Thai Nguyen University 1University 2TNU ARTICLE INFO Received: 11/5/2021 Revised: 31/5/2021 Published: 31/5/2021 KEYWORDS Pipe cutting machine Hydraulic cutting Steel pipes Pressure loss Pump performance ABSTRACT This study calculated the hydraulic cylinder to generate the shear cutting force a D45 steel pipe cutter The system loss was calculated to select the pump parameters to improve the efficiency of the hydraulic pump engine The theoretical calculation method was applied to determine the cutting force, cylinder parameters, pressure loss and volume loss and engine power to drive the oil pump and to select oil pump for the system The experiment was conducted on a fabricated D45 steel pipe cutting machine for cutting steel pipes with a diameter of 45 mm to form various profiles (pipe joints) that are used at motorbike manufacturers such as Honda, Yamaha, Suzuki, SYM The experimental results proved that the study was adequate to the production requirements on appropriately cutting force, accurate cutting profiles, appropriated cutting blade’ travel, and low power consumption NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC MÁY CẮT ỐNG THÉP D45 VÀ XÁC ĐỊNH CÁC TỔN THẤT HỆ THỐNG NHẰM NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA BƠM THỦY LỰC Triệu Quý Huy1*, Trần Thị Hương2, Vũ Văn Đam3 1Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên 3Đại học Thái Nguyên 2Trường THÔNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 11/5/2021 Ngày hồn thiện: 31/5/2021 Ngày đăng: 31/5/2021 TỪ KHĨA Máy cắt ống Cắt thủy lực Cắt ống thép Xy lanh thủy lực Tổn thất áp suất Hiệu suất bơm dầu TĨM TẮT Nghiên cứu tính tốn xi lanh thủy lực để tạo lực cắt cho máy cắt ống thép D45 Tổn thất hệ thống tính tốn để lựa chọn thông số bơm thủy lực nhằm nâng cao hiệu suất động dẫn động bơm Phương pháp tính tốn lý thuyết áp dụng để xác định lực cắt, thông số xylanh, tổn thất áp suất, tổn thất thể tích, cơng suất động dẫn động bơm dầu chọn bơm dầu cho hệ thống Thực nghiệm thực máy cắt ống thép D45 dùng để cắt loại ống thép có đường kính 45 mm thành loại biên dạng (khớp nối ống) sử dụng hãng xe máy Honda, Yamaha, Suzuki, SYM Kết thực nghiệm cho thấy nghiên cứu phù hợp với yêu cầu sản xuất lực cắt thích hợp, biên dạng cắt xác, hành trình lưỡi cắt phù hợp mức tiêu hao điện thấp DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4475 * Corresponding author Email: lipit2010@gmail.com http://jst.tnu.edu.vn 270 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 Đặt vấn đề Xe môtô (xe máy) phương tiện di chuyển sử dụng phổ biến nước ta nhiều nước khác giới Khung xe xương để gắn động cơ, thiết bị điện, chi tiết… Thêm nữa, phải đủ độ bền, độ cứng vững để chịu tải, khả giảm chấn tốt, phân bố hợp lý khối lượng nhẹ Ngồi ra, khung xe cịn yếu tố quan trọng tạo nên kiểu dáng xe phù hợp với mục đích sử dụng Có nhiều loại khung xe theo tiêu chí vật liệu có: Khung ống thép (khung ống) cấu tạo từ ống thép (đường kính lớn, nhỏ) hàn trực tiếp với nhau; Khung thép (khung thép dập) sử dụng thép dập định hình hàn tán lại với nhau; Khung kết hợp ống thép thép tấm; Khung hợp kim nhôm đúc từ vật liệu nhôm Khung ống thép sử dụng rộng rãi thuận lợi cho việc sửa đổi, sửa chữa, thuận lợi cho việc thiết kế giá thành rẻ Hiện có nhiều phương pháp cắt ống thép sử dụng công nghiệp cắt tia nước (AWJ) [1], cắt tia lazer [2], cắt plasma [3], cắt cưa dây kim cương [4], cắt ống thép máy thủy lực có kiểu cắt hành tinh [5] cắt loại ống thép đầu thẳng, khơng cắt đầu cong khung xe phải quay trịn phơi tương dụng cụ cắt (đầu cắt) nên khó xác định vị trí q trình cắt tạo biên dạng mối ghép Các loại xe Drem, Wawe, Sirius khung thường có ống 45 mm Tại nhà máy sản xuất thực cắt thủy lực dùng lưỡi cắt định hình phần định vị kẹp chặt bulong đai ốc, lát cắt không đồng lực nên biên dạng hình thành xác khơng cao tiêu hao lượng điện nhiều máy chế tạo theo kinh nghiệm Chưa có tốn cụ thể áp dụng nhằm tối ưu hóa q trình làm việc tiết kiệm điện Việc tính tốn động lực học, nghiên cứu tổn thất nhằm nâng cao hiệu suất máy cắt ống thép D45 phục vụ việc chế tạo khung xe cần thiết Bài báo trình bày kết tính tốn xi lanh thủy lực để tạo lực cắt cho máy cắt ống thép D45 Để xác định thông số động lực học máy áp dụng cơng thức tính tốn vấn đề lực học, tổn thất hệ thống, chọn động cơ… tài liệu uy tín xuất Các kiến thức lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhằm hoàn thiện máy cắt ống thép D45, cho lực cắt máy tạo vừa đủ nhằm thực lát cắt cách xác Lực cắt q nhỏ khơng thực trình cắt Trái lại, lực cắt lớn gây móp đầu ống Hành trình dao tính tốn phù hợp để tạo biên dạng chuẩn, đảm bảo cho mối ghép ống hàn xác theo yêu cầu Kết thu cho thấy phương pháp áp dụng có nhiều ưu điểm so với số phương pháp nêu thực gia công nhanh, cắt đầu cong ống xác, chế tạo đơn giản, khả áp dụng tự động hóa gia cơng dễ dàng Ngun lý làm việc máy cắt ống D45 Nguyên lý làm việc máy cắt ống D45 trình bày Hình 1, xây dựng dựa nguyên lý chuyển động tương đối (Hình 1) Trên Hình 1, phôi (ống thép D45) đưa vào định vị kẹp chặt nhờ hệ thống thủy lực (xi lanh ép), dụng cụ cắt gắn với hệ thống thủy lực khác (xi lanh cắt) thực chuyển động tịnh tiến để hồn thành kết thúc q trình gia công Bơm hoạt động bơm dầu thủy lực qua van qua điều khiển điều chỉnh xi lanh cố định vật cắt ống D45, định vị kẹp chặt vị trí đóng xi lanh cắt có mang đầu dao thực hành trình cắt (dao cắt có hình dạng định sẵn phục vụ mối ghép gia công tiếp theo) Kết thúc hành trình cắt dao điều khiển tự động rút hành trình tịnh tiến ngược trở lại vị trí ban đầu, đồng thời mở kẹp xi lanh để tháo chi tiết gia cơng (Hình 1) Góc α góc điều chỉnh tâm dao cắt với tâm phôi nhằm tạo góc độ theo yêu cầu kỹ thuật [6] Xi lanh ép xi lanh cắt chọn giống nhằm đáp ứng vấn đề lắp lẫn, thuận tiện điều chỉnh áp suất cho van Việc cố định xác định đồ gá chun dùng nên ta cần tính tốn, lựa chọn cho xi lanh cắt http://jst.tnu.edu.vn 271 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 (a) (b) Hình Máy cắt ống thép D45: (a) Sơ đồ nguyên lý máy (b) Ảnh chụp máy Bơm thủy lực; Van tràn; 3.7 Van giảm áp; Xi lanh ép; Vật cắt; Xi lanh cắt Tính tốn xy lanh tạo lực cắt 3.1 Xác định lực cắt Phương pháp dựa vào lực cắt đơn vị diện tích tiết diện phoi sắt, theo [7]: P = p.q [ N ] Trong đó: p lực cắt đơn vị, số phụ thuộc vào vật liệu gia cơng q diện tích tiết diện phoi sắt (1) Lực cắt đơn vị p biểu diễn gần với mối quan hệ độ bền b vật liệu độ cứng HB vật liệu Thực tế cắt với dao lưỡi cắt ta có, theo [8]: p = (2,5 − 4,5) b vật liệu dẻo q = (0,5 − 1) HB vật liệu dòn Áp dụng công thức: p = (2,5 − 4,5)σ b (2) Với σ b = (380 490) N/mm, chọn σ b = 450 N/mm Thay vào (2) ta được: P = (2,5 4,5).450 = 1125 2025 N , chọn P = 2000N 3.2 Tính tốn xi lanh * Tiết diện piston, theo [9]: F= Pxylanh (3) p xl Trong đó: Pxylanh lực cơng tác cần thiết hệ Piston- xi lanh thuỷ lực phải tạo p xl áp suất làm việc xi lanh Với: P 2000 P Xylanh = = = 2000 (N) pxl = 16bar = 1,6( Thay vào (3) ta được: http://jst.tnu.edu.vn F= 2000 1,6 N ) mm2 = 1250(mm ) 272 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 * Đường kính xi lanh là: Fpt = π D2 D= * Đường kính cần thiết piston: D= Fpt π = 1256 3,14 40(mm) (4) d chọn K = 0,5s K Thay vào (5) ta được: d = 0,5.40 = 20(mm) * Lưu lượng làm việc xi lanh, theo [7]: Qxl = Fpt Vc (5) (6) Trong đó: Vc vận tốc đầu dao hành trình cắt Với lực cắt P = 2000 (N) 20(MN) nên Vc = (5 100) mm/s chọn Vc = 50 mm/s Fpt tiết diện piston, Fpt = 1250(mm) Thay vào (6) ta được: Qxl = 1250.50 = 62500 (mm /s) = 0,0625 (dm /s) = 3,75 (lít/phút) * Công suất cắt máy: N = P.v (N) (7) Trong đó: P lực để cắt ống thép P = 2000( N) v vận tốc hành trình cắt (m/s), v = 50(mm/s) = 0,05(m/s) Thay vào (7) ta được: N = 2000*0,05 = 100 (W) = 0,1(KW) * Tính sơ chiều dài thân xi lanh (Hình 2) Xác định sơ chiều dài xi lanh tạo lực cắt: Trong trình cắt chịu phản lực cắt nên vận tốc cắt thay đổi gây va đập cho máy, cần phải giảm chấn cho dao cắt Đối với hệ thống dùng xi lanh thuỷ lực, người ta giảm chấn cách tạo lớp dầu cịn lại xi lanh đầu hành trình cuối hành trình piston, nhờ biến dạng đàn hồi lớp dầu không làm thay đổi đột ngột lực vận tốc cần piston Chọn chiều dày lớp dầu mà thiết kế xi lanh để giảm chấn cho hành trình piston cắt rút dao h1 = h2 = 25(mm) [10] 3 (a) (b) Hình Xy lanh thủy lực: (a) Sơ đồ kích thước xi lanh (b) Ảnh chụp thiết bị Do đó, tổng chiều dài xilanh tính: L = H + h1 + h2 + c Trong đó: H hành trình dao cắt, chọn H = 60(mm) c chiều dày piston, chọn c = 40(mm) Thay vào (8) ta được: L = 60 + 25 + 25 + 40 = 150(mm) http://jst.tnu.edu.vn 273 (8) Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 Tính tổn thất hệ thống 4.1 Tổn thất áp suất hệ thống Tổn thất áp suất giảm áp suất sức cản đường dầu từ bơm đến cấu chấp hành (xi lanh thuỷ lực) Sức cản chủ yếu hình thành chiều dài ống dẫn, thay đổi tiết diện ống dẫn, thay đổi hướng chuyển động thay đổi vận tốc chuyển động độ nhớt dầu gây nên Vì tổn thất áp suất xảy nhiều phận hệ thống thuỷ lực Gọi p0 áp suất bơm cung cấp vào hệ thống, p1 áp suất đo buồng công tác cấu chấp hành, tổn thất áp suất hệ thống biểu thị dạng hiệu suất [7]: η= p0 − p1 Δp = p0 p0 (9) Xét mặt kết cấu hệ thống thuỷ lực tổn thất áp suất quy hai dạng: * Tổn thất áp suất qua van p1 Bằng thực nghiệm tổn thất áp suất ta có [7]: + Tổn thất áp suất qua van đảo chiều: (KG/cm2) + Tổn thất áp suất qua van an toàn: (KG/cm2) + Tổn thất áp suất qua van tiết lưu điều chỉnh: (KG/cm2) + Tổn thất áp suất qua van giảm áp: (KG/cm2) Tổng tổn thất áp suất van là: Δp1 = + + + = 10(KG/cm2 ) = 10(bar)= 1(N/mm2 ) * Tổn thất áp suất ống dẫn p Tổn thất áp suất ống dẫn có tổn thất đường dài tổn thất cục Xét chiều dài ống dẫn hệ thống thuỷ lực máy coi ngắn nên ta bỏ qua tổn thất áp suất chiều dài ống Để đơn giản q trình thiết kế, lấy giá trị tổn thất áp suất cục ống dẫn theo công thức sau [7]: p2 = 0,05.p ct (10) Trong đó: pct áp suất cấu chấp hành pct = p = 16 (KG/cm ) xl Thay vào (10) ta được: Δp2 = 0,05.16 = 0,8 (KG/cm ) = 0,785 (bar) Tổng tổn thất áp suất hệ thống: Δp = 10 + 0,8 = 10,8 (KG/cm ) = 10,8 (bar) Ta có, hiệu suất khí: 10,8 100% = 67,5% ηck = 16 4.2 Tổn thất thể tích hệ thống Tổn thất thể tích hệ thống thủy lực tính theo cơng thức sau [7]: qtt = σ.Δp qtt (11) Trong đó: σ trị số tổn thất thể tích (cm /s) σ = σ1 + σ + σ (12) σ trị số tổn thất thể tích bơm, σ =0,6.10 − (cm3/s) σ trị số tổn thất thể tích van đảo chiều, σ =0,25.10 −6 (cm3/s) http://jst.tnu.edu.vn 274 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 σ trị số tổn thất thể tích xilanh, σ = 0,015 (cm3/s) Và Δp Tổn thất áp suất hệ thống: Δp = Δp1 + Δp2 + Δp3 + Δp4 + Δp5 + Δp6 (13) Bằng thực nghiệm tổn thất thể tích hệ thống ta có [7]: Δp1 tổn thất áp suất lọc dầu, Δp1 = 1,5 bar Δp tổn thất áp suất van tràn, Δp2 = 2,5 bar Δp tổn thất áp suất van tiết lưu điều chỉnh được, Δp = bar Δp tổn thất áp suất van đảo chiều, Δp4 = bar Δp tổn thất áp suất van chiều, Δp = 1,5 bar Δp tổn thất áp suất đường ống dẫn dầu, Δp6 = 4,35 bar −6 qtt = (0,6 + 0,025+ 0,015).10 (1,5 + 2,5 + + + 1,5 + 4,35) 10,144*10−6 (l/ph) qtt = 0.5(l/ph) Ta có, hiệu suất thể tích: ηV = 100 − 0,5 3,75 100 = 86,7% Tính tốn lựa chọn thông số bơm 5.1 Công suất cần thiết động điện làm quay bơm dầu N N ct = (14) Với: hiệu suất bơm dầu, η = η η = 67,5.86,7= 58,5225% ck v N ct = 100 = 170,8(W) = 1,708(KW) 58,5225 Do cần phải chọn động dùng để quay bơm dầu thích hợp vừa đảm bảo đủ cơng suất cho yêu cầu trình cắt, vừa phải có tính làm việc phù hợp với u cầu truyền động cho bơm, phù hợp với môi trường bên ngoài, vận hành an toàn ổn định Hơn nữa, chọn công suất động phải phù hợp để đảm bảo tính kinh tế, hạ giá thành sản phẩm, tăng hiệu suất động kết cấu không cồng kềnh Từ yêu cầu cần thiết đặt ra, cần chọn động có cơng suất: N đc N ct Do vậy, chọn loại động đồng bộ, che kín, có quạt gió loại DK42-4 có cơng suất 1,75 kw, số vịng quay 1000 (v/ph) Thay vào (14) ta được: 5.2 Chọn bơm dầu cho hệ thống Tổn thất hệ thống là: qtt = 0,5(l/ph) Lưu lượng cần thiết cho xilanh kẹp chặt: Qxl = Qk = 3,75(l/ph) Lưu lượng cần thiết bơm phải cung cấp cho hệ thống là: Qct = 2.Qxl + 0,5 = 2.3,75+ 0,5 = 8(l/ph) Áp suất cần thiết bơm phải cung cấp: pb = p xl + Δp = 16 + 10,8 = 26,8(bar) http://jst.tnu.edu.vn 275 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 270 - 276 Hệ thống thủy lực dầu ép thường dùng loại bơm thể tích để biến đổi lượng cách thay đổi thể tích buồng làm việc (khi thể tích buồng làm việc tăng, bơm hút dầu thể tích buồng làm việc giảm, bơm nén dầu) Nếu đường, dầu bị đẩy ra, ta đặt vật cản, dầu bị chặn tạo nên áp suất định phụ thuộc vào độ lớn sức cản kết cấu bơm Tuỳ thuộc vào lượng dầu bơm đẩy chu kỳ làm việc, ta phân biệt bơm thể tích có lưu lượng cố định điều chỉnh Bơm thể tích có ba loại bánh răng, piston cánh gạt (đơn, kép) với ưu nhược điểm riêng Bơm bánh có hạn chế không điều chỉnh lưu lượng nên tạo lực cắt khơng Bơm piston có lưu lượng khơng đồng bộ, kích thước cơng suất lớn Bơm cánh gạt đơn kết thúc chu kì quay thực chu kỳ đẩy (hút) nên hiệu suất thấp, bơm cánh gạt kép thực hút đẩy nên tạo hiệu suất cao, phạm vi làm việc nhỏ điều chỉnh mở rộng được, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo cho áp suất lưu lượng lớn Từ thơng số tính tốn phân tích trên, chọn loại bơm cánh gạt kép với áp suất 30 (bar), lưu lượng 10 (l/ph) đảm bảo lưu lượng, áp suất yêu cầu làm việc hiệu suất cao Kết luận - Nghiên cứu xây dựng ngun lý (Hình 1) có hệ thống thủy lực định vị kẹp chặt phục vụ trình cắt máy cắt ống thép D45 Bên cạnh luận giải số tính sử dụng máy cách thay đổi góc α tạo góc cắt khác phù hợp yêu cầu kỹ thuật, biên dạng lát cắt phụ thuộc vào biên dạng dao, sử dụng hai xilanh tích nhằm đảm bảo tính lắp lẫn - Nghiên cứu xác định lực cắt, xác định thông số cho xilanh cắt kẹp chặt phôi Đồng thời tổn thất hệ thống thủy lực theo hiệu suất khí hiệu suất thể tích để từ ta có cách xác định xác cơng suất động cần sử dụng cho bơm nhằm nâng cao tổng hiệu suất cho máy cắt ống thép D45 - Kết nghiên cứu cung cấp liệu công nghệ quan trọng cho công tác thiết kế thiết bị máy cắt ống thủy lực có đường kính khác theo u cầu người sử dụng TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] H Li, R Wang, D Yang, W Zhou, and L Li, “Determination of rotary cutting depth on steel pipes with the abrasive water jet technique,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, vol 225, no 7, pp 1626-1637, 2011 [2] A K Dubey and V Yadava, “Laser beam machining—A review,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol 48, no 6, pp 609-628, 2008 [3] C L Wang, T Yuan, C L Dong, and F W Zhan, “Design of Plasma Cutting Tracking Device for Spiral SAW Pipe,” Advanced Materials Research, vol 291, pp 2846-2850, 2011 [4] Z Wang, B Zhang, L Q Wang, and D Xu, “Research on experimentation of diamond wire saw cutting compound pipes underwater,” Materials Science Forum, vol 626, pp 303-308, 2009 [5] J Yi, Y Qian, Z Shang, Z Yan, and Y Jiao, “Structure Analysis of Planetary Pipe Cutting Machine Based on ANSYS,” Procedia engineering, vol 174, pp 1283-1288, 2017 [6] K N Trinh, Design of metal cutting knives Science and Technology Publishing House, 2002 [7] T S Tran and T K L Tran, Pneumatic and Hydraulic Science and Technology Publishing House, 2010 [8] D L Nguyen, V T Le, D T Ninh, and X V Tran, Technology handbook for manufacturing machines, vol 1, vol 2, Science and Technology Publishing House, 2006 [9] T H Phan, Hydraulic Drive and Control Facility Science and Technology Publishing House, 2010 [10] V H Nguyen, Mechanism of Interaction Mechanism - Electrical, Water – Gas Construction Publishing House, 2016 http://jst.tnu.edu.vn 276 Email: jst@tnu.edu.vn ... động lực học, nghiên cứu tổn thất nhằm nâng cao hiệu suất máy cắt ống thép D45 phục vụ việc chế tạo khung xe cần thiết Bài báo trình bày kết tính tốn xi lanh thủy lực để tạo lực cắt cho máy cắt. .. cách xác định xác cơng suất động cần sử dụng cho bơm nhằm nâng cao tổng hiệu suất cho máy cắt ống thép D45 - Kết nghiên cứu cung cấp liệu công nghệ quan trọng cho công tác thiết kế thiết bị máy. .. hai xilanh tích nhằm đảm bảo tính lắp lẫn - Nghiên cứu xác định lực cắt, xác định thông số cho xilanh cắt kẹp chặt phôi Đồng thời tổn thất hệ thống thủy lực theo hiệu suất khí hiệu suất thể tích