7. Kết cấu của đồ án
4.1 Thiết kế cơ khí
4.1.3.2 Tính chọn xylanh ép
Đặc điểm của xy lanh thủy lực.
Ưu điểm: xy lanh thủy lực có khả năng truyền lực mạnh và nhanh với cơng
suất cao, áp lực lớn với cơ cấu hệ thống khá đơn giản, dễ sử dụng và sửa chữa mang lại hiểu quả cao cho hoạt động, có tính ứng dụng cao trong nhiều loại máy móc cơng trình.
Nhược điểm: chủ yếu của nó là khi áp lực, lưu lượng mạnh lại không làm việc ổn định bởi phụ thuộc nhiều vào độ đàn hồi ống dẫn, sử dụng đường ống dẫn rất nhiều không tiện dụng như động cơ điện, dầu và các phụ tùng xy lanh có mối quan hệ chặt chẽ nên khi thay đổi độ nhớt, nhiệt độ thì sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến các chi tiết khác.
Các thông số máy được cho trước
- Áp suất làm việc của hệ thống xy lanh ≤ 100 Bar. - Tổng lực ép cho khn ngồi là ≤ 20 tấn.
26 - Hành trình của khn ép H1 = 500 mm. - Hành trình của khn trong H2= 1000 mm. - Thời gian đóng mở khuôn là ≤ 1 phút.
Chọn xilanh cho hệ thống thủy lực ép
Xy lanh cho bộ ép khuôn: thực hiện chọn xy lanh để đáp ứng lực ép của máy là 20 tấn được chia đều cho 4 xy lanh thủy lực, đồng thời phân bố được chia đều trên bộ ép khuôn cho suy ra mỗi ben ép chịu lực ép 5 tấn.
Chọn xy lanh cho bộ ép khuôn thỏa mãn diện tích làm việc ở đầu đẩy xy lanh ≥ 5 tấn cho mỗi xy lanh. Ta có:
F = P.A => A = 𝐹 𝑃 =
5000
100 = 50 cm2. Vây ta chọn xy lanh có điều kiện Ađẩy ≥ 50 cm2
Từ Ađẩy ta tính chọn đường kính nịng xy lanh: Ađẩy =𝐷2.3,14
4 => 50 =
𝐷2.3,14
4 = 7.98 (𝑐𝑚). Từ đó chọn đường kính nịng xy lanh 8cm. (1) Trong đó:
F là lực ép làm việc của bộ khuôn ép (tấn).
P là áp suất làm việc (bar).
Tính tốn xy lanh ép
- Diện tích làm việc của đầu đẩy của xy lanh thủy lực: Ađẩy = 𝐷
2 .3,14 4 =
82 .3,14
4 = 50,24 ( cm2). Thỏa mãn điều kiện (1) - Diện tích bề mặt làm việc đầu kéo của xy lanh thủy lực:
Akéo = (D2− 𝑑
2 ).3,14
4 = (82−52 ).3,14
4 = 30,615 (cm2). Trong đó:
+ Ađẩy = Diện tích bề mặt làm việc đầu đẩy xy lanh thủy lực (cm2). + Akéo = Diện tích bề mặt làm việc đầu kéo của xy lanh thủy lực(cm2). + D là đường kính nịng xy lanh (mm).
27 + d là đường kính cần xy lanh (mm). - Nên ta chọn:
+ Chọn xy lanh có đường kính nịng xy lanh D = 8 cm. + Đường kính cần xy lanh d= 5 cm.
+ Hành trình xy lanh 500 mm.
Tính lực của xy lanh - Tính lực nén của xy lanh:
FĐẩy = Ađẩy .P.10 = 50,24.100.10 = 50240 (N) = 5,024 tấn - Tính lực kéo của xy lanh:
FKéo = Akéo .P.10 = 30,615.100.10 = 30615 (N) = 3,0615 (tấn). - Tính vận tốc cho hệ thống xy lanh khi thực hiện hành trình:
Cho thời gian hồn thành hình trình h = 500mm của xy lanh bộ ép là t = 20s. Vận tốc hệ thống xy lanh bộ ép: v= ℎ 𝑡.1000 = 0,5 20 = 1 40 ( m/s ) = 150 (cm/phút )
Tính lưu lượng cho xy lanh - Khi xy lanh bộ ép khi đẩy:
Lưu lượng có bỏ qua rò rỉ:
Qđẩy = Ađẩy.V= 50,24.150 = 7536 (cm3/phút)= 7,536 (lít/phút).
Qđẩy là lưu lượng của xy lanh khi nén ( lít/phút ).
η% là hiệu suất làm việc Lưu lượng có tính tốn hao rị rỉ:
Q = 𝑄𝑛é𝑛 η% =
7,536
90% = 8,38 (lít/ phút). - Khi xy lanh bộ ép khi kéo:
Lưu lượng có bỏ qua rị rỉ:
QKéo = A2 .V = 30,615.150 = 4592,25 (cm3/phút)= 4,5923(lít/phút).
QKéo là lưu lượng của xy lanh khi kéo (lít/phút ) Lưu lượng có tính tốn hao rò rỉ:
28 Q = 𝑄𝑘é𝑜
η% =
4,5923
90% = 5,102 (lít/ phút).
→ Trong mơi trường làm việc hiệu suất làm việc thường tính đến khấu hao, nên hiệu suất thường nằm trong khoảng 85% - 95%.
Áp suất tổn thất của xy lanh
Ta chọn xy lanh có đường kính lịng xy lanh D= 80mm, và đường kính cán xy lanh d= 50mm theo bảng tra áp suất tổn thất của xy lanh ta có:
+ P1 là áp suất tổn thất từ hồi đến van khi đẩy = 5 bar. + P3 là áp suất tổn thất từ hồi đến van khi kéo = 3,4 bar.
4.1.3.3 Tính chọn xylanh mở khn trong
Xy lanh cho khuôn trong: Thực hiện chọn xy lanh để đáp ứng lực kéo là 2 tấn. Chọn xy lanh cho bộ ép khn thỏa mãn diện tích làm việc ở đầu kéo xy lanh ≥ 2 tấn cho xy lanh. Ta có:
F = P.A => A = 𝐹 𝑃 =
2000
100 = 20 cm2. Vây ta chọn xy lanh với điều kiện có Akéo
≥ 20cm2 (2)
Tính tốn xy lanh của khn trong
- Diện tích làm việc của đầu đẩy của xy lanh thủy lực: Ađẩy = 𝐷 2 .3,14 4 = 102 .3,14 4 = 78,5 (cm 2).
- Diện tích bề mặt làm việc đầu kéo của xy lanh thủy lực. Akéo = (𝐷
2 −𝑑2 ).3,14 4 = (10
2 −52 ).3,14
4 = 58,87 (cm2). Thỏa mãn điều kiện (2). Xylanh cho bộ khuôn trong ta chọn:
- Chọn xy lanh có đường kính lịng xy lanh D = 10 cm. - Đường kính cán xy lanh d = 5 cm.
- Hành trình xy lanh 1000 mm.
Tính lực của xy lanh.
29
FĐẩy = Ađẩy . P.10 = 78,50.100.10 = 78500 (N) = 7,85 (tấn) - Tính lực kéo của xy lanh khn trong:
FKéo = Akéo . P .10 = 58,87.100.10 = 58870 (N) = 5,887 (tấn).
Tính vận tốc cho hệ thống xy lanh.
Chọn thời gian để xy lanh khn trong hồnh thành hành trình 1000mm là 20s. V= ℎ 𝑡.1000 = 1000 20.1000 = 1 20 (m/s) = 300 (cm/phút)
Tính lưu lượng cho xy lanh cho khuôn trong: - Khi xy lanh khuôn trong đẩy:
+ Lưu lượng có bỏ qua rị rỉ:
Qđẩy = A1.V = 78,5.300 = 23550 (cm3/phút) = 23,55 ( lít /phút) + Lưu lượng có tính tốn hao rị rỉ:
Q = 𝑄đẩ𝑦 η% =
23,55
95% = 24,78 (lít/ phút). - Khi xy lanh khn trong kéo:
+ Lưu lượng có bỏ qua rị rỉ:
QKéo = Akéo .V = 58,87.300 = 17661 (cm3/phút) = 17,661 (lít/ phút) + Lưu lượng có tính tốn hao rị rỉ:
Q = 𝑄𝑘é𝑜 η% =
17,661
95% = 18,59 (lít/ phút).
→ Trong mơi trường làm việc hiệu suất làm việc thường tính đến khấu hao, nên hiệu suất thường nằm trong khoảng 85% - 95%.
Áp suất tổn thất của xilanh
Ta chọn xilanh có đường kính nịng xy lanh D = 10 cm, và đường kính cần xy lanh d= 5 cm theo bảng tra áp suất tổn thất của xy lanh ta có:
+ P1 là áp suất tổn thất từ hồi đến van khi đẩy = 7,9 bar. + p3 là áp suất tổn thất từ hồi đến van khi kéo = 5,4 bar.
30
Hình 4. 21: thơng số kích thước xy lanh HOB (Nguồn Internet)
4.1.3.4 Tính tốn, chọn động cơ và bơm thủy lực
Tính lưu lượng
- Tính lưu lượng bơm sao cho QV ≥ 4Qxylanh bộ ép => QV ≥ 33,52 (lít/phút) Ta có 4Qxylanh bộ ép = n.V => V= 4Qxylanh bộ ép
𝑛 =
33.52
1450 = 23,1 (cm
3/vịng). Vậy ta chọn thể tích dầu cho 1 vịng ≥ 23,11(cm3/vòng).
- Lưu lượng bơm :
Chọn thể tích dầu V = 25 (cm3/vịng)
QV = n.V = 1450.25 = 36250 cm3/vịng = 36,25 lít/phút. Trong đó:
+ QV lưu lượng dầu ( lít/phút) + n là số vịng quay (vịng/phút ) + V là thể tích dầu/ vịng (cm3/vịng) - Lưu lượng bơm tính có tổn thất:
Q= QV η% =
36,25
90% = 40,3 (lít/phút).
31 P = 𝑄.𝑝 612.η% = 40,3.100 612.0,9 = 7,48 (kw). Trong đó:
+ P là công suất động cơ (kw). + Q là lưu lượng ( lít/phút). + P là áp suất làm việc ( bar). + η% là hiệu suất làm việc.
- Từ động cơ bơm ta tính thời gian thực tế để hồn thành hành trình của hệ thống xy lanh: Bộ khung ép: Vì bộ ép có 4 xy lanh nên Q/4 = 35,28 = 8.82 (lít/phút). Tnén = 𝐴.ℎ.6 𝑄/4.1000 = 50,24.500.6 8.82.1000 = 17,088 (s) Tkéo = 𝐴.ℎ.6 𝑄/4.1000 = 30,615.500.6 9.3125.1000 = 10,41 (s) Bộ khuôn trong: Tnén = 𝐴.ℎ.6 𝑄.1000 = 78,5.1000.6 35,28.1000 = 13,35 (s) Tkéo = 𝐴.ℎ.6 𝑄.1000 = 58,87.500.6 40,3.1000 = 10,01 (s)
- Từ thời gian thực tế ta tính vận tốc thực tế của hệ thống xy lanh:
Bộ khung ép: Vđẩy = ℎ 𝑇𝑛é𝑛 = 500 17,088 = 1,755 (m/phút) Vnén = ℎ 𝑇𝑘é𝑜 = 500 10,41 = 2,88 (m/phút). Bộ khuôn trong: Vđẩy = ℎ 𝑇𝑛é𝑛 = 1000 13,35 = 4,49 (m/phút) Vnén = ℎ 𝑇𝑘é𝑜 = 1000 10,01 = 5,99 (m/phút).
32
- Từ động cơ bơm ta tính thời gian thực tế khi chọn bơm để hồn thành hành trình của hệ thống xy lanh: Bộ khung ép: Vì bộ ép có 4 xy lanh nên Q/4 = 40,3/4 = 10,075 (lít/phút). Tnén = 𝐴.ℎ.6 𝑄/4.1000 = 50,24.500.6 10,075.1000 = 14,95 (s) Tkéo = 𝐴.ℎ.6 𝑄/4.1000 = 30,615.500.6 10,075.1000 = 9,1 (s) Bộ khuôn trong: Tnén = 𝐴.ℎ.6 𝑄.1000 = 78,5.1000.6 40,3.1000 = 11,68 (s) Tkéo = 𝐴.ℎ.6 𝑄.1000 = 58,87.500.6 40,3.1000 = 8,8 (s)
- Từ thời gian thực tế ta tính vận tốc thực tế của hệ thống xy lanh:
Bộ khung ép: Vđẩy = ℎ 𝑇𝑛é𝑛 = 500 14,95 = 2,006 (m/phút) Vnén = ℎ 𝑇𝑘é𝑜 = 500 14,95 = 3,29 (m/phút). Bộ khuôn trong: Vđẩy = ℎ 𝑇𝑛é𝑛 = 1000 11,68 = 5,1 (m/phút) Vnén = ℎ 𝑇𝑘é𝑜 = 1000 8,8 = 6,81 (m/phút). Tính thể tích thùng dầu chứa
Đối với các loại thùng dầu cố định, ví dụ thùng dầu trong các nhà máy, dây truyền thì chọn thể tích thùng dầu như sau:
V = (3 ÷ 5).Qv = 5.40,3 = 201,5 lít vậy ta chọn thùng dầu có sức chứa 200 lít. Trong đó: V là thể tích dầu cần thiết (lít)
33 - Cơng của xy lanh khi nén:
Công = Fđẩy . H = 50240 .0,5 = 25120 (N.m) = 25,12 (KN.m) - Công của xy lanh khi kéo:
Công = Fkéo . H = 30615. 0,5 = 15307.5 (N.m) = 15,307 (KN.m). Trong đó:
+ F là lực của xilanh ( N).
+ H là hành trình thực hiện của xy lanh (m).
Công của hệ thống xy lanh mở khuôn trong: - Công của xy lanh khi nén:
Công = Fnén . H = 78500.1 = 78500 (N.m) = 78,5 (KN.m). - Công của xy lanh khi kéo:
Công = Fkéo .H = 58700. 1 = 58700 (N.m) = 58,7 (KN.m).
Công suất tiêu thụ của hệ thống xy lanh ép. Do hệ thống có 4 xy lanh nên: Nnén = ( 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛) . 4 = (25.12 14,95) . 4 = 6,72 (kw). Nkéo = ( 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛).4 = (15,307 9,1 ).4 = 6,728 (kw).
Công suất tiêu thụ của xy lanh mở khuôn trong: Nnén = 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 = 78,5 11,68 = 6,72 (kw). Nkéo = 𝑐ô𝑛𝑔 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 = 58,87 8,8 = 6,68 (kw).
Do tính P cơng suất động cơ bơm = 7,48 (Kw) nên ta chọn bơm có cơng suất 7,5 (Kw).
34
Bảng 4. 7: Thông số động cơ điện
Thông số động cơ Số liệu
Công suất P 7,5kw = 10 hp
Số vòng quay, n 1450 vòng/phút
Nguồn điện 380(V)
Hiệu suất, ƞ 97%
Hình 4. 22: Động cơ điện (Nguồn Internet)
Bảng 4. 8: Bảng thông số bơm thủy lực
Thông số bơm thủy lực Số liệu
Kiểu bơm: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài
Lưu lượng riêng 25 (cc/vg)
Áp suất làm việc max p 200 (Bar) Tốc độ làm việc max, nmax 3000 (vg/ph) Tốc độ làm việc min, nmin 400 (vg/ph) Nhiệt độ làm việc - 25 ÷ 80 Độ C
35
Hình 4. 23: Bơm thủy lực bánh răng (Nguồn Internet)
Hình 4. 24: Bộ nguồn thủy lực.
4.1.3.5 Tính tốn chọn vít me cho khn ngồi
Một số đặc điểm của bộ truyền
Hình 4. 25: Bộ truyền vít me đai ốc
- Ưu điểm:
36 + Kích thước nhỏ, gọn.
+ Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao. + Điều khiển một cách dễ dàng.
- Nhược điểm:
+ Hiệu suất thấp do ma sát trên ren. + Chóng mịn.
Chọn vật liệu trục vít và đai ốc
Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mịn cao và dễ gia cơng.
- Vật liệu vít: Thép 45 - Vật liệu đai ốc: Thép 50
Tính tốn, thiết kế cho chuyền động của hệ thống Ta có khối lượng chi tiết là:
+ Khối lượng khn kéo : 2000 kg
+ Có 4 vít me → lực kéo trên vít me Fk =500kg
Ta có lực dọc trục 𝐹𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là khối lượng khn vitme cần kéo :
𝐹𝑎 = Fk = m.g = 500.10 = 5000 N - Đường kính trung bình ren trục vít
d2 ≥ √ 𝐹𝑎
𝜋.𝜓𝐻.𝜓ℎ.[𝑞] (8.1) Trong đó:
+ Fa : lực dọc (N)
+ 𝜓H : hệ số chiều cáo đai ốc với 𝐻 - chiều cao đai ốc. + Đai ốc nguyên, chọn 𝜓H = 2
+ 𝜓h : hệ số chiều cao ren, với h- chiều cao làm việc của ren, p- bước ren; ren hình thang, chọn 𝜓ℎ = 0,5.
37
+ [q]: áp suất cho phép, phụ thuộc vật liệu vít và đai ốc. Ta có vật liệu vít-đai ốc là thép - thép, chọn [q] = 6 Mpa
d2 ≥ √ 5000
𝜋.2.0,5.6 = 16,29 mm
Chọn đường kính trung bình d2 = 31 mm, đường kính ngồi d = 36 mm, đường kính trong d1= 26 mm, bước vít p= 10 mm.
- Chọn thơng số của vít và đai ốc :
Theo cơng dụng của bộ truyền và yêu cầu về tự hãm, chọn số đầu mối ren 𝑧ℎ: Trường hợp cần đảm bảo tính tự hãm, chọn số mối ren 𝑧ℎ = 1, trái lại nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vịng quay thì chọn ren nhiều đầu mối (𝑧ℎ > 1). Chọn 𝑧ℎ = 1 Ta có bước vít: 𝑝ℎ = 𝑧ℎ. 𝑝 = 10.1 = 10 (𝑚𝑚). và góc vít 𝛾 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 𝑝ℎ (𝜋𝑑2)] = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 10 (𝜋.26)] = 6,9 0
Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm: 𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 𝑓
𝑐𝑜𝑠𝛿) Trong đó:
𝛿- góc nghiêng của cạnh ren làm việc; ren hình thang, chọn 𝛿 = 150 .
𝑓- hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu của vít và đai ốc, với thép –thép, f= 0,12.
𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 0,12
𝑐𝑜𝑠150) = 7,080
𝛾 < 𝜌
- Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
Từ 𝑑2 và hệ số chiều cao 𝜓𝐻 tính được chiều cao đai ốc: 𝐻 = 𝜓𝐻. 𝑑2 = 2.26 = 52 (𝑚𝑚)
38 Số vòng ren của đai ốc:
𝑧 = 𝐻 𝑝 =
52
10= 5,2 ≤ 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 10 … 12
Tính kiểm nghiệm về độ bền
Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương 𝜎𝑡đ = √𝜎2+ 𝜏2 = √(𝜋𝑑4𝐹𝑎
12
)2+ ( 𝑇
0,2𝑑13)2 ≤ [𝜎] Trong đó:
𝐹𝑎, 𝑇 – tương ứng là lực dọc trục, N và momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít;
Ta có momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít : 𝑇 = 9550.𝑃.ƞ
𝑛 . 𝑢
P- công suất của động cơ, P = 2,2 Kw
n- số vòng quay của động cơ, n = 1455 vòng/phút
u- tỉ số truyền của hộp giảm tốc, u = 25
ƞ- hiệu suất truyền động
𝑇 = 9550.2,2.0,95
1455 . 25 = 342,94 (𝑁. 𝑚)
[𝜎]- ứng suất cho phép (kéo hoặc nén), MPa; với 𝜎𝑐ℎ- giới hạn chảy của vật liệu vít; 𝜎𝑐ℎ = 120(𝑀𝑃𝑎).
[𝜎] = 𝜎𝑐ℎ 3 =120
3 = 40 (𝑀𝑃𝑎)
𝑑1- đường kính trong của ren vít, mm. 𝜎𝑡đ = √(4.20000
𝜋.262 )2+ (342,94
0,2.263)2 = 37,6 ≤ [𝜎] Kết luận: Trục vít đủ bền.
Tính kiểm nghiệm về độ ổn định
Với các vít tương đối dài và chịu nén cần tiến hành kiểm nghiệm về uốn dọc đảm bảo điều kiện ổn định Ơ-le. Cơng thức kiểm nghiệm có dạng:
39 𝑆0 = 𝑡ℎ 𝐹𝑎 ≥ [𝑆0] Trong đó: + 𝑆0- hệ số anh toàn về ổn định. + 𝐹𝑡ℎ- tải trọng tới hạn, N. + 𝐹𝑎- tải trọng dọc trục(lực nén), N. + [𝑆0] = 2,5 … 4- hệ số an toàn cho phép.
Để xác định tải trọng tới hạn cần dựa vào độ mềm của vít: 𝜆 = 𝜇𝑙/𝑖
Trong đó:
+ 𝜇- hệ số chiều dài tương đương. Hai đầu trục vít được cố định bằng gối đỡ do vậy 𝜇 = 1.
+ L- chiều dài tính tốn của vít, L = 1000 mm + 𝑖- bán kính quán tính của tiết diện trục vít.
𝑖 = √4.𝐽
𝜋𝑑12 = √4.40,8
𝜋.262 = 0,28 Trong đó:
Momen qn tính của tiết diện vít là: 𝐽 =𝜋𝑑12 64 (0,4 + 0,6 𝑑 𝑑1) = 𝜋.262 64 . (0,4 + 0,6.36 26) = 40,8 (𝑚𝑚4) Suy ra : 𝜆 = 1.10 0,28= 35,71 ≤ 60
Do vậy không cần kiểm tra về độ ổn định.
40
Gối đỡ vít me FK-FF: Gối đỡ trục FK-FF là sản phẩm gối đỡ thanh vít me