a. Nguyên tắc tính toán bơm nguồn
* Để chọn đƣợc bơm nguồn căn cứ vào các thông số làm việc của nó. Việc này dựa trên những nguyên tắc sau :
Theo áp suất yêu cầu lớn nhất : PB = P + Pyc max (3.29) Trong đó :
+ PB : là áp suất bơm;
+ P : tổng tổn thất áp suất trong hệ thống do van, chỗ nối ống.. 6 3 4. 4.1320.10 . 3,14.60.(0, 4 0,8) Q D v 6 2 4. 4.1320.10 . 3,14.60.(0,8 1, 2) Q d v
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 56 - GVHD: TS. Trần Văn Địch + Pyc max : là áp suất yêu cầu lớn nhất. Nếu trong hệ thống có nhiều cơ cấu chấp hành thì pycmax là áp suất của cơ cấu chấp hành chịu tải lớn nhất.
Theo lƣu lƣợng yêu cầu lớn nhất : QB = Qyc + Q. Trong đó : + QB : lƣu lƣợng bơm ;
+ Qyc : lƣu lƣợng yêu cầu;
+ Q : tổn thất lƣu lƣợng trong hệ thống do các hiện tƣợng nhƣ rò rỉ, bay hơi và một số hao tổn khác. Ngoài ra khi chọn bơm còn cần phải lƣu ý ở một số điểm nhƣ sau: + Có dải tốc độ quay trục phù hợp với tốc độ của động cơ kéo.
+ Phù hợp với độ nhớt của dầu trong hệ thống.
+ Có tính lắp lẫn cao để thuận tiện trong trƣờng hợp thay thế. + Dễ dàng bảo dƣỡng.
+ Giá thành hợp lí.
Trên đây là những nguyên tắc cơ bản để có thể tính toán và lựa chọn bơm nguồn, nhƣng trong thực tế ta chỉ cần căn cứ vào mục đích sử dụng để lựa chọn bơm nguồn đáp ứng đƣợc các thông số lƣu lƣợng áp suất hệ thống, đồng thời có giá thành phù hợp.
b. Nhiệm vụ của bơm thủy lực
* Nhiệm vụ của bơm thủy lực
Đẩy dầu thủy lực vào hệ thống và tạo nên dòng lƣu động. Có thể nói bơm đã chuyển cơ năng thành năng lƣợng áp suất trong lƣu chất, sau đó năng lƣợng áp suất lại chuyển thành cơ năng trên bộ phận tác động.
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 57 - GVHD: TS. Trần Văn Địch
Hình 2.18. Các thành phần cơ bản của một máy bơm
♦ Một cửa nạp để đƣa dầu từ bình chứa hoặc từ nguồn chứa vào bơm. ♦ Một cửa thoát dầu nối với đƣờng ống áp lực.
♦ Buồng bơm để tải dầu từ cửa nạp đến cửa thoát. ♦ Các cơ cấu khác đảm bảo hoạt động của bơm.
c. Các dạng bơm thủy lực sử dụng phổ biến:
+ Bơm bánh răng: đơn giản, rẻ tiền, bền, hiệu suất cao, thích hợp cho hệ thống có áp suất dƣới 300 bar (= 3.107N/m2).
+ Bơm cánh quạt: đơn giản, rẻ tiền, độ tin cậy cao. Loại này dùng tốt với hệ thống có lƣu lƣợng cao nhƣng áp suất thấp tại đầu ra.
+ Bơm piston hƣớng trục: loại bơm này dùng thay đổi lƣu lƣợng dòng ra để điều khiển áp suất trong lƣu chất.
+ Bơm piston hƣớng kính: loại bơm này dùng với hệ thống đòi hỏi áp suất lƣu chất cao nhƣng lƣu lƣợng nhỏ.
Bơm piston đắt hơn bơm cánh quạt và bơm bánh răng, nhƣng tuổi thọ của bơm cao khi hoạt động ở áp suất lớn, sử dụng với nhiều loại chất lỏng khác nhau.
d. Sử dụng công suất của bơm và động cơ máy ép thủy lực:
Công của máy ép thủy lực đƣợc xác định bởi thời gian tc thực hiện hành trình công tác, khi sự biến dạng dẻo kim loại đƣợc tiến hành. Giả thiết rằng hệ thống dẫn động không có tổn hao năng lƣợng.
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 58 - GVHD: TS. Trần Văn Địch P – lực của máy ép tại thời điểm cho trƣớc của hành trình piston;
p – áp suất chất lỏng trong cylinder máy ép; S – hành trình của piston;
Pdn – lực ép danh nghĩa của máy ép; Sc – hành trình công tác.
Nếu nhƣ bỏ qua các tổn hao trong hệ thống thủy lực, thì đối với bộ dẫn động của bơm không có bình tích áp, không có bánh đà trên trục dẫn động bơm, ở thời điểm bất kỳ của hành trình công tác ta có đẳng thức:
Np = Nb = Nđc (3.40)
Trong đó:
Np – công suất của máy ép ở hành trình công tác; Nb – công suất của bơm;
Nđc – công suất của động cơ điện.
Khi máy ép làm việc có những thời điểm mà Np đạt giá trị cực đại. Từ biểu thức (3.40) suy ra là công suất của bơm cũng phải là cực đại. Nghĩa là bơm phải đƣợc tính theo công suất cực đại ở máy ép và đƣợc xác định bằng lực lớn nhất và tốc độ cho trƣớc của chuyển động cặp bánh răng.
Bởi vì thời gian hành trình công tác trở nên nhỏ nhất khi sử dụng công suất toàn bộ của bơm, vậy để nhận đƣợc tc nhỏ nhất thì bơm phải làm việc với công suất định mức trong suốt toàn bộ hành trình công tác:
Kp.Q = Nb (3.41)
Trong đó:
K – hệ số phụ thuộc vào thứ nguyên của Q, p và N; p – áp suất của bơm;
Q – lƣu lƣợng của bơm.
Ngƣời ta gọi bơm là bơm lý tƣởng nếu nhƣ nó đảm bảo đƣợc điều kiện (3.41) trong suốt quá trình công tác và có hệ số có ích bằng 1.
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 59 - GVHD: TS. Trần Văn Địch suất không đổi, đặc biệt là ở lúc bắt đầu của hành trình công tác và đối với nhiều quá trình công nghệ không cần có áp suất cao mà chỉ cần có năng suất cao.
Đồ thị lực ép đối với sơ đồ đơn giản nhất của máy ép một cylinder dẫn động không có bình tích áp từ bơm có lƣu lƣợng không đổi đƣợc trình bày trên (hình 2.19)
a) b) c)
Hình 2.19. Các đồ thị lực ép (phần được gạch là công suất bơm không sử dụng). a) Đồ thị lực ép của máy ép một cylinder không có bình tích áp.
b) Đồ thị lực ép để dẫn động từ bơm lý tưởng.
c) Đồ thị lực ép khi bơm kiểu piston có trục khuỷu làm việc với 3 mức áp suất và lưu lượng cấp cho máy ép một cylinder.
Phần diện tích đƣợc gạch 0ab tỉ lệ với công không đƣợc bơm sử dụng và đặc trƣng cho việc sử dụng công suất của bơm.
Trị số của tung độ p‟ đối với điểm a sẽ tƣơng ứng với áp suất mà bơm không sử dụng ở thời điểm đó và tỉ lệ với phần công suất không sử dụng của bơm, bởi vì: N‟ = p‟Q; còn Q=const.
Ở kết cấu đơn giản nhất thì bộ dẫn động của bơm không có bình tích áp thƣờng đƣợc sử dụng một phần nhỏ công suất định mức.
Đồ thị lực để dẫn động từ bơm lý tƣởng đƣợc trình bày ở hình 3.12b. Ở đây công suất của bơm đƣợc sử dụng hết. Mức độ hoàn thiện của các dẫn động thực tế cần đƣợc đánh giá bằng cách so sánh với dẫn động từ bơm lý tƣởng, làm việc với công suất không đổi.
Trên ( hình 2.19c) trình bày đồ thị lực ép khi bơm kiểu piston có trục khuỷu làm việc với ba mức áp suất và lƣu lƣợng cấp cho máy ép một cylinder:
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 60 - GVHD: TS. Trần Văn Địch paQa = pbQb = pcQc = NH (3.42) Các điểm a, b, c của đồ thị là các điểm công suất không đổi.
pc > pb > pa; Qc < Qb < Qa
Phần công mà bơm không dùng đƣợc giảm đi. Thời gian hành trình công tác,
công suất của bơm và động cơ có thể giảm so với các thông số này trong trƣờng hợp dẫn động từ bơm lƣu lƣợng không đổi.
Việc đƣa sự làm việc của bộ dẫn động tới gần hơn với sự làm việc của bơm lý tƣởng trong thời gian tc thực tế bằng các phƣơng pháp sau: Sử dụng các bơm có điều chỉnh kiểu bậc thang lƣu lƣợng theo áp suất; sử dụng các bơm có các đặc tính khác nhau; sử dụng một loạt các bơm giống nhau, sử dụng các bơm có thay đổi tự động công suất; sử dụng ở máy ép nhiều cylinder mà chúng làm việc với các áp suất khác nhau và cả bằng các phƣơng pháp kể trên.
Khi không có bình tích áp thì việc đƣa sự dẫn động tới gần với sự làm việc của động cơ lý tƣởng có thể đạt đƣợc bằng các phƣơng pháp kể trên để giảm công suất của bơm. Thƣờng thì thời gian dành cho các công đoạn phụ lại nhiều hơn thời gian của hành trình công tác của máy ép. Bộ dẫn động sẽ bắt buộc phải làm việc không tải trong thời gian dài.
Công suất của động cơ điện khi bơm chạy không tải thƣờng vào khoảng
10÷15% công suất cực đại. Vì vậy ở những chỗ mà các yếu tố công nghệ cho phép, thì hợp lý hơn cả là giảm một phần tốc độ của hành trình công tác. Trong trƣờng hợp này, thời gian toàn bộ của chu trình có thể thay đổi không đáng kể do việc giảm thời gian cho hành trình tiếp cận, hành trình khứ hồi và chuyển chế độ. Các quá trình công nghệ riêng thí dụ nhƣ đột sẽ yêu cầu lúc thì tốc độ cao, lúc thì tốc độ thấp của hành trình công tác. Điều này liên quan tới các tính chất công nghệ của vật liệu phôi. Trong trƣờng hợp này có thể có đƣợc công suất của bơm và động cơ điện một cách tối ƣu hơn bằng cách ngắt một số bơm cùng động cơ.
Khi chọn công suất của động cơ điện cho máy ép thủy lực, ngƣời ta thƣờng phân biệt hai chế độ làm việc của nó: Chế độ làm việc lâu dài và chế độ làm việc ngắn – lặp lại. Theo chế độ làm việc lâu dài ngƣời ta thƣờng chọn động cơ điện cho
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 61 - GVHD: TS. Trần Văn Địch dẫn động kiểu bơm có bình tích áp và ngƣời ta thƣờng chọn động cơ điện theo chế độ làm việc ngắn – lặp lại cho dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp. Thƣờng thì có thể chọn công suất định mức của động cơ điện bằng một nửa công suất của bơm.
Việc giảm tiếp theo công suất của động cơ điện ở dẫn động không có bình tích áp có thể đảm bảo bằng cách đặt một bánh đà trên trục nối bơm và động cơ điện.
Ở dẫn động có bánh đà, việc thay đổi số vòng quay của bánh đà và sự nhả năng lƣợng của nó phụ thuộc vào đặc tính cơ học của động cơ điện. Trong trƣờng hợp này biểu thức (3.4.1) sẽ có dạng:
Np = Nb ≥ Nđc
Yếu tố giới hạn ở đây là công suất của bơm – công suất động cơ có thể giảm (2-3) lần và hơn nữa phụ thuộc vào đặc tính tải P = f(S).
Trong một số trƣờng hợp, việc sử dụng triệt để hơn công suất của động cơ điện và bơm có thể đạt đƣợc bằng cách liên kết nhiều máy ép có cùng lực ép vào một máy ép lớn.
e. Tính chọn bơm nguồn
Để tính chọn bơm nguồn hệ thống ta có một số các giả thiết sau :
+ Chiều dài đƣờng ống hút bằng chiều dài đƣờng ống xả là : L1 = L3 = 1(m); + Chiều dài doạn ống đẩy là : L2 = 4 (m);
+ Vận tốc và đƣờng kính ống hút : v1 = 1 (m/s); d1 = 20 (mm) + Vận tốc đƣờng kính ống đẩy : v2 = 4(m/s) ; d3 = 10(mm) + Vận tốc đƣờng kính ống xả : v3 = 1,5 (m/s) ; d2 = 18(mm) + Chất lỏng làm việc là dầu thủy lực CS32 có các thông số kỹ thuật: + Độ nhớt: = 32.10-6 (m2/s)
+ trọng lƣợng riêng : = 8,5.103 (N/m3) Ta có: p = p1 + p2;
+ Với p1 là tổn thất qua van phân phối, lấy p1 = 2 (bar).
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 62 - GVHD: TS. Trần Văn Địch 2 2 2 2 2 3 3 3 3 1 1 1 2 2 2 2 1 2 3 1 2 3 ( ) 2 2 2 2 L L L P d d d g (3.43) Trong đó:
+ p: Khối lƣợng riêng của chất lỏng: p g. 850(kg/ m )3
+ L,v,d: Chiều dài,vận tốc và đƣờng kính của đƣờng ống. + Hệ số tổn thất dọc đƣờng và tổn thất cục bô: ,
+ Hệ số phụ thuộc vào hệ số Rây nôn.
Hệ số phụ thuộc vào khủy ống, ở đây ta coi khủy ống là thẳng góc cà lấy = 1,2.
P2 = 157655,8328 (N/m2) P2 = 1,6 (bar).
Do đó: p = 2+1,6 = 3,6 bar. PB = 3,6 + 180 =183,6 bar.
Để thỏa mãn ta lấy: PB = 190 bar.
Đồng thời ta cũng thấy, lƣu lƣợng cần thiết để cấp cho xy lanh là: Q = 13,2 (l/ph). Nên nếu chọn bơm nguồn có lƣu lƣợng Q = 25 (l/ph) sẽ đáp ứng đƣợc yêu cầu lƣu lƣợng của hệ thống. 3 1 1 1 3 2 2 2 3 3 3 3 1 1 2 2 3 3 1000 1000.1.0, 02.10 Re 625 2300 32 1000 1000.4.0, 01.10 Re 1250 2300 32 1000 1000.1, 5.0, 018.10 Re 843, 75 2300 32 64 64 0,1024 Re 625 64 64 0, 0512 Re 1250 64 64 0, 0759 Re 843, 75 d v d v d v 2 2 2 2 2 2 2 0,1024.2.1 .850 0, 0512.4.4 .850 0, 0759.1.1,5 .850 1, 2.8500 (1 4 1,5 ) 2.0, 02 2.0, 01 2.0, 018 2,9.81 P
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 63 - GVHD: TS. Trần Văn Địch Căn cứ vào 2 thông số áp suất và lƣu lƣợng ở trên cũng nhƣ điều kiện làm việc của hệ thống ta thấy bơm bánh răng là sự lựa chọn phù hợp nhất do :
o Bơm bánh răng có dải áp suất p = (100 - 250) bar ;
o Bơm bánh răng có dải lƣu lƣợng phù hợp Q < 100 (l/ph) ;
o Kết cấu bơm bánh răng khá nhỏ gọn, thuận tiện cho lắp ráp và bảo dƣỡng sau này. o Bơm bánh răng có giá thành khá thấp so với các loại bơm khá nhƣ : piston rotor hƣớng kính. Piston rotor hƣớng trục, bơm cánh gat …
Ta chọn động cơ kéo bơm có số vòng quay n = 1445 (vg/ph). Đây là số vòng quay rất phù hợp với các loại bơm bánh răng. Do đó lƣu lƣợng riêng của bơm đƣợc tính theo công thức :
(cm3/vòng) (3.44) Ta có thể chọn bơm nguồn là bơm bánh răng có lƣu lƣợng riêng q = 10 (cc). Với lƣu lƣợng riêng q = 10 (cc) thì lƣu lƣợng bơm là:
Q = n.q = 1445.10-3 =14,5 (l/ph)
Ta chọn bơm bánh răng của hãng TAIWAN FLUID POWER – Đài Loan nhƣ hình dƣới đây (hình 2.20) có kí mã hiệu nhƣ sau : HGP-3A-*19*
Hình 2.20. Hình ảnh cho bơm nguồn
* Bơm bánh răng đƣợc chọn có một số các thông số kĩ thuật nhƣ sau : - Lƣu lƣợng riêng : q = 10 (cm3/vòng);
- Áp suất làm việc lớn nhất : Pmax = 190 bar = 190.105 (N/m2). - Tốc độ quay trục lớn nhất : n = 3000 (vòng/phút).
- Tốc độ quay trục nhỏ nhất: n = 600 (vòng/phút).
- Tốc độ quay trục khuyến cáo của nhà sản xuất là : n = 1800 (vòng/phút) 3 13, 2.10 9 1445 Q q n
Nghiên cứu thiết kế máy thử uốn thủy lực, tải trọng 63 tấn
HVTH: Nguyễn Thế Anh - 64 - GVHD: TS. Trần Văn Địch - Khối lƣợng bơm : m = 2,92 (kg)
- Chân ren cửa vào : PT3/4, Chân ren cửa ra: PT1/2.