Tính tốn thiết kế thủy lực

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC

4.2 Tính tốn thiết kế thủy lực

Ta tính tốn hệ thống thủy lực dùng trong máy ép gạch dựa vào chế độ làm việc của máy gồm hai giai đoạn độc lập như sau:

4.2.1 Giai đoạn ép. 4.2.1.1 Tính tốn xy lanh ép dưới. - Diện tích ép : S 2.200.100 40000 mm2 = 400 cm2 - Cường độ ép max p 24Mpa

- Lực ép cần thiết lên bàn khuơn là

- Áp suất làm việc của hệ thống 200 bar

- Thời gian thực hiện hành trình tiến (ứng với quá trình ép) : t1 = 5 (s).

- Thời gian thực hiện hành trình xilanh lùi về: t2 = 5 (s)

- Thời gian giữ ép: t3 = 5 (s)

- Hành trình : s = 30 (mm)

- Chế độ làm việc : làm việc êm. * Tính tốn các thơng số

* Tính đường kính trong xy lanh.

Theo cơng thức tính lực ở hành trình tiến của xy lanh :

F S . p

- F : là lực tạo ra ở đầu cần piston, (N);

- p : là áp suất làm việc của xy lanh, (bar);

- D : là đường kính trong của xy lanh, (m); Ta chọn đường kính trong xy lanh là: D = 250 (mm) * Tính đường kính cần piston.

Đường kính cần piston được tính theo cơng thức: Dc = (0,6 0,8).D = (0,6 0,8).250 = 180(mm) Vậy chọn đường kính cần piston là : Dc= 160(mm) * Lưu lượng cần cấp cho xy lanh.

Tính tốn lưu lượng cần cấp cho xy lanh là rất quan trọng trong tính tốn thiết kế các hệ thống thủy lực vì căn cứ vào những kết quả này ta mới tính chọn được bơm nguồn phù hợp. Lưu lượng cần cấp cho xy lanh được tính theo cơng thức như sau :

Q = f . v Trong đĩ :

- f là diện tích tác dụng của xy lanh (đối với hành trình tiến hay lùi); - v là vận tốc cần piston.

Tốc độ cần piston trong hành trình tiến là : v1 s

Do đĩ, lưu lượng cần cấp cho xylanh trongt quá trình ép là:

Q1 f .v1

.D2 .S .2.52.0,3

0,294 (dm3/s)=17,64(l/ph)

4.t 4.5

Tốc độ cần piston trong hành trình lùi về là : v2 s t2

Lưu lượng cần cấp cho xylanh trong hành trình lùi về là:

Q2 f .v2

.( D 2 d 2 ).S .(2.5 2 1,82 ).0, 3

0,142 (dm3/s)=8,52(l/ph)

4.t 2 4.5

Nhận thấy Q1>Q2, dĩ đĩ lưu lượng của bơm nguồn phải chọn theo Q1

Dựa vào kết quả tính tốn ta chọn xy lanh LHA25-250/160X0010-BF-HC-SSN-NNN-0 cùa hang PMC với các thơng số :

Hình 4.2 Data sheet xy lanh LHA25-250/160X0010-BF-HC-SSN-NNN-0

4.2.1.2 Tính tốn xy lanh ép trên.

Xy lanh ép trên cĩ tác dụng tạo 3 lỗ kích thước 10x10x40mm - Diện tích ép :

S 3.10.10 300 mm2 = 3 cm2

- Cường độ ép max

p 10Mpa

Fg S . p 3.10 4.10.10 6 3000 N 0, 3 tấn

- Áp suất làm việc của hệ thống 200bar

- Thời gian thực hiện hành trình tiến (ứng với quá trình ép) : t1 = 5 (s).

- Thời gian thực hiện hành trình xilanh lùi về: t2 = 5 (s)

- Thời gian giữ ép: t3 = 5 (s)

- Hành trình : s = 40 (mm)

- Chế độ làm việc : làm việc êm. * Tính tốn các thơng số

* Tính đường kính trong xy lanh.

Theo cơng thức tính lực ở hành trình tiến của xy lanh :

F S . p

- F : là lực tạo ra ở đầu cần piston, (N);

- p : là áp suất làm việc của xy lanh, (bar);

- D : là đường kính trong của xy lanh, (m); Ta chọn đường kính trong xy lanh là: D = 32(mm) * Tính đường kính cần piston.

Đường kính cần piston được tính theo cơng thức: Dc = (0,6 0,8).D = (0,6 0,8).20= 12 (mm) Vậy chọn đường kính cần piston là : Dc= 20(mm) * Lưu lượng cần cấp cho xy lanh.

Q = f . v Trong đĩ :

- Q là lưu lượng cần cấp cho xy lanh;

- f là diện tích tác dụng của xy lanh (đối với hành trình tiến hay lùi); - v là vận tốc cần piston.

Tốc độ cần piston trong hành trình tiến là : v1 s

Do đĩ, lưu lượng cần cấp cho xylanh trong quá trình ép là:

Q1 f .v1

.D2 .S .0,22.0,4

0,0025 (dm3/s)=0,15(l/ph)

4.t 4.5

Tốc độ cần piston trong hành trình lùi về là : v2 s t2

Lưu lượng cần cấp cho xylanh trong hành trình lùi về là:

Q2 f .v2 .( D 2 d 2 ).S .(0, 2 20,12 2 ).0, 4

0, 0016(dm3/s)=0,1(l/ph)

4.t 2 4.5

Nhận thấy Q1>Q2, dĩ đĩ lưu lượng của bơm nguồn phải chọn theo Q1

Dựa vào kết quả tính tốn ta chọn xy lanh Xy lanh LHA25-32/20X0040-BF-HC-SSN-NNN- 0 của hãng PMC với các thơng số :

Hình 4.4 Data sheet xy lanh LHA25-32/20X0040-BF-HC-SSN-NNN-0

4.2.1.3 Tính tốn xy lanh đẩy lấy sản phẩm.

Khi lấy sản phẩm xy lanh cần tác dụng 1 lực đủ để thắng trọng lượng của viên gạch và lực ma sát giữa viên gạch và long khuơn. Nhưng lực ma sát này nhỏ nên ta cĩ thể bỏ qua trong quá trình tính tốn.

- Trọng lượng 1 viên gạch 0,3 kg = 3 N

- Diện tích đẩy :

- Lực đẩy cần thiết lên bàn khuơn là

Fd 3.2 6N

- Áp suất làm việc của hệ thống 200 bar

- Thời gian thực hiện hành trình tiến (ứng với quá trình ép) : t1 = 5 (s).

- Thời gian thực hiện hành trình xilanh lùi về: t2 = 5 (s)

- Hành trình : s = 70 (mm)

- Chế độ làm việc : làm việc êm. * Tính tốn các thơng số

* Tính đường kính trong xy lanh.

Theo cơng thức tính lực ở hành trình tiến của xy lanh :

F S . p

- F : là lực tạo ra ở đầu cần piston, (N);

- p : là áp suất làm việc của xy lanh, (N/m);

- D : là đường kính trong của xy lanh, (m); Ta chọn đường kính trong xy lanh là: D = 32(mm) * Tính đường kính cần piston.

Đường kính cần piston được tính theo cơng thức: Dc = (0,6 0,8).D = (0,6 0,8).20 = 12 mm) Vậy chọn đường kính cần piston là : Dc= 20 (mm) *Lưu lượng cần cấp cho xy lanh.

Trong đĩ :

- Q là lưu lượng cần cấp cho xy lanh;

- f là diện tích tác dụng của xy lanh (đối với hành trình tiến hay lùi); - v là vận tốc cần piston.

Tốc độ cần piston trong hành trình tiến là : v1 s

Do đĩ, lưu lượng cần cấp cho xylanh trong quá trình ép là:

Q1 f .v1

.D2 .S .0,22.0,7

0,0044 (dm3/s)=0,264(l/ph)

4.t 4.5

Tốc độ cần piston trong hành trình lùi về là : v2

s t

2 Lưu lượng cần cấp cho xylanh trong hành trình lùi về là:

Q2 f .v2 .( D 2 d 2 ).S .(0, 2 20,12 2 ).0, 7

0, 0028(dm3/s)=0,168(l/ph)

4.t 2 4.5

Nhận thấy Q1>Q2, dĩ đĩ lưu lượng của bơm nguồn phải chọn theo Q1

Dựa vào kết quả tính tốn ta chọn xy lanh Xy lanh LHA25-32/20X0040-BF-HC-SSN-NNN-0 của hãng PMC.

4.2.1.4 Tính tốn xy lanh hãm.

Để đĩa quay dừng lại dung vị trí thì cần cĩ 1 cơ cấu hãm để thắng lực qn tính sinh ra trong q trình chuyển động của đĩa quay.

- Áp suất làm việc của hệ thống 200 bar

- Thời gian thực hiện hành trình tiến (ứng với quá trình ép) : t1 = 5 (s).

- Thời gian thực hiện hành trình xi lanh lùi về: t2 = 5 (s)

- Hành trình : s = 10 (mm)

- Chế độ làm việc : làm việc êm.

- Lực quán tính của đĩa quay :

Fqt ma

Với :

a: gia tốc đĩa quay Ta cĩ :

Khối lượng đĩa quay m= 317 Kg

Từ năng suất 1080sp/giờ ta suy ra số vịng quay của đĩa quay n= 3v/ph

vận tốc của đĩa quay

v n. .D

0,25 m/s 60000

Vì chuyển động trịn nên gia tốc hướng tâm a là :

a mv2 316.0, 252 24, 77 m / s2

R0,8

Vậy lực quán tính

Fqt ma 317.24, 77 7852N

Từ đĩ ta tính đường kính trong của xy lanh hãm

F S . p

- F : là lực tạo ra ở đầu cần piston, (N);

- p : là áp suất làm việc của xy lanh, (N/m);

- D : là đường kính trong của xy lanh, (m); Ta chọn đường kính trong xy lanh là: D = 32(mm) * Tính đường kính cần piston.

Đường kính cần piston được tính theo cơng thức: Dc = (0,6 0,8).D = (0,6 0,8).50 = 20 mm) Vậy chọn đường kính cần piston là : Dc= 20 (mm) * Lưu lượng cần cấp cho xy lanh.

Q = f . v Trong đĩ :

- f là diện tích tác dụng của xy lanh (đối với hành trình tiến hay lùi); - v là vận tốc cần piston.

Tốc độ cần piston trong hành trình tiến là : v1 s

Do đĩ, lưu lượng cần cấp cho xylanh trong quá trình ép là:

Q1 f .v1

.D2 .S .0,52.0,1

0,004 (dm3/s)=0,24(l/ph)

4.t 4.5

Tốc độ cần piston trong hành trình lùi về là : v2 s t2

Lưu lượng cần cấp cho xylanh trong hành trình lùi về là:

Q2 f .v2

.( D 2 d 2 ).S .(0,52 0, 32 ).0,1

0, 0025 (dm3/s)=0,15(l/ph)

4.t 2 4.5

Nhận thấy Q1>Q2, dĩ đĩ lưu lượng của bơm nguồn phải chọn theo Q1.

Dựa vào kết quả tính tốn ta chọn xy lanh Xy lanh LHA25-32/20X0040-BF-HC-SSN-NNN-0 của hãng PMC.

4.2.2 Tính tốn đường ống thủy lực.

Trong hệ thống thủy lực, chất lỏng cơng tác được vận chuyển từ bể dầu qua bơm nguồn đến các van, cơ cấu chấp hành rồi hồi về bể nhờ hệ thống các đường ống. Đường ống được dùng phổ biến trong các hệ thống thủy lực nĩi chung hiện này là các loại ống cứng (ống thép đúc) và ống mềm (ống cao su cĩ các lớp thép) chịu áp.

Để hệ thống làm việc ổn định và hiệu suất cao thì tổn thất năng lượng trong hệ đường ống phải là nhỏ. Do vậy, phải giảm thiểu được độ dài của hệ thống đường ống, đồng thời giảm thiểu các khúc quanh để giảm được năng lượng tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ.

Nĩi chung, hệ thống đường ống trong các hệ thống thủy lực nĩi chung được chia làm 3 phần : đường ống hút, đường ống đẩy và đường hồi. Đường hút là đoạn đường ống từ bể dầu lên bơm, thường khá ngắn. Đường ống nối từ bơm tới các van, cơ cấu chấp hành gọi là đường đẩy, cịn đường về bể dầu được gọi là đường hồi hay đường xả.

Để tính tiết diện của đường ống phải căn cứ vào vận tốc của đường dầu. Thơng thường, khi chọn đường ống ta phải đảm bảo tổn thất trong đường ống là nhỏ nhất và vừa phải kinh tế. Nếu nhỏ quá thì tổn thất lớn và nếu lớn q thì tổn thất ít đi nhưng khơng kinh tế, do đĩ ta phải cân nhắc lựa chọn cho phù hợp. Thơng thường, trong các hệ thống thủy lực nĩi chung thì vận tốc đường dầu trên các đoạn đường đường ống trong hệ thống được chọn như sau : - Đường ống hút : v1 = 0,8 1,2 (m/s) ;

- Đường ống đẩy : v2 = 3 5 (m/s) ;

- Đường ống xả : v3 = 1,0 1,6 (m/s) ;

Đường kính của đường ống được tính theo cơng thức sau:

d 4.Q

.v Trong đĩ:

- Q: là lưu lượng qua tiết diện ống, cũng chính là lưu lượng cần thiết cấp cho xylanh, (l/ph) ;

- : là vận tốc dầu qua tiết diện ống, (m/s).

Vì lưu lượng cần cấp cho xy lanh ép dưới là lớn nhất nên ta tính tốn các đường ống theo xy lanh ép dưới.

4.2.2.1 Tính tốn đường ống hút. Đường kình đường ống hút là:

4.Q .v

Do đường ống hút cấp dầu từ bể tới bơm và nằm trong thùng dầu, khơng phải chịu áp cao, ta chọn ống hút cĩ thể là ống bằng nhơm hoặc bằng thép đúc cĩ đường kính trong khoảng (17,6 – 21,6)(mm).

4.2.2.2 Tính tốn đường ống hồi. Đường kính đường ống hồi là:

4.Q .v

Đường ống hồi được bắt đầu từ đế van về bể ta cũng chọn ống hồi làm bằng nhơm hoặc bằng thép đúc cĩ đường kính trong khoảng (15 – 19) (mm).

4.2.2.3 Tính tốn đường ống đẩy.

Đường ống đẩy thường được chia làm 2 phần: phần một nằm từ bơm nguồn tới van và phần này nằm tồn bộ trên bể dầu, do vậy để làm cho bộ nguồn thêm mỹ quan ta làm ống đẩy ở phần này bằng ống cứng (thường là thép đúc). Phần ống đẩy cịn lại nối từ van đến cơ cấu chấp hành ta chọn ống mềm.

Đường kính đường ống đẩy là:

4.Q .v

Vậy ta chọn ống mềm và ống cứng cố đường kính trong khoảng (9 – 12) (mm) và để làm ống đẩy cho hệ thống.

4.2.3 . Tính tốn bơm nguồn.

4.2.3.1 Nguyên tắc tính tốn bơm nguồn.

Để chọn được bơm nguồn căn cứ vào các thơng số làm việc của nĩ. Việc này dựa trên những nguyên tắc sau :

* Theo áp suất yêu cầu lớn nhất : pB= p + pyc max trong đĩ :

- p : tổng tổn thất áp suất trong hệ thống;

: là áp suất yêu cầu lớn nhất.

Nếu trong hệ thống cĩ nhiều cơ cấu chấp hành thì pyc max là áp suất của cơ cấu chấp hành chịu tải lớn nhất.

* Theo lưu lượng yêu cầu lớn nhất : QB = Qyc + Q trong đĩ : - QB : lưu lượng bơm ;

- Qyc : lưu lượng yêu cầu;

- Q : tổn thất lưu lượng trong hệ thống do các hiện tượng như rị rỉ, bay hơi và một số hao tổn khác.

Ngồi ra khi chọn bơm cịn cần phải lưu ý ở một số điểm như sau :

* Phù hợp với độ nhớt của dầu trong hệ thống.

* Cĩ tính lắp lẫn cao để thuận tiện trong trường hợp thay thế.

* Dễ dàng bảo dưỡng.

* Giá thành hợp lí.

Trên đây là những nguyên tắc cơ bản để cĩ thể tính tốn và lựa chọn bơm nguồn, nhưng trong thực tế ta chỉ cần căn cứ vào mục đích sử dụng để lựa chọn bơm nguồn đáp ứng được các thơng số lưu lượng áp suất hệ thống, đồng thời cĩ giá thành phù hợp.

4.2.3.2. Tính chọn bơm nguồn.

Để tính chọn bơm nguồn hệ thống ta cĩ một số các giả thiết sau :

- Chiều dài đoạn đường ống hút bằng chiều dài đoạn đường ống xả là : L1 = L3 = 1 (m);

- Chiều dài doạn ống đẩy là :L2 = 4 (m);

- Vận tốc và đường kính ống hút : v1 = 1 (m/s) ;d1 = 20 (mm)

- Vận tốc đường ống đẩy : v2 = 4(m/s) ; d3 = 10(mm)

- Vận tốc đường ống xả : v3 = 1,5 (m/s) ; d2 = 18(mm)

- Chất lỏng làm việc là dầu thủy lực CS32 cĩ các thơng số kỹ thuật: Độ nhớt:

v 32.10 6 ( m / s2 )

- trọng lượng riêng :8, 5.103 N / m3

- Ta cĩ: p = p1 + p2;

-Với p1 là tổn thất qua van phân phối, lấy p1 = 2 (bar)

- p2 là tổn thất qua đường ống bao gồm cả tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ.

.L .v 2

2.d1

- p Khối lượng riêng của chất lỏng. g . 850( kg / m3 )

- L,v,d: Chiều dài,vận tốc và đường kính của đường ống.

- Hệ số tổn thất dọc đường và tổn thất cục bơ: , Hệ số phụ thuộc vào hệ số Rây nơn

1000.v .d 1000.1.0,02.103 Re 1 1000.v .d Re2 2 1000.v .d Re3 64 1 Re1 64 64 2 Re 2 64 3 Re 3

Hệ số phụ thuộc vào khủy ống, ở đây ta coi khủy ống là thẳng gĩc và lấy =1,2

p 0,1024.2.1

2.850

PB = 3,6 + 200 =203,6 bar. Để thỏa mãn ta lấy pB

Đồng thời ta cũng thấy, lưu lượng cần thiết để cấp cho xylanh là: 17,54(l/ph)

Nên nếu chọn bơm nguồn cĩ lưu lượng Q = 25 (l/ph) sẽ đáp ứng được yêu cầu lưu lượng của hệ thống.

Căn cứ vào 2 thơng số áp suất và lưu lượng ở trên cũng như điều kiện làm việc của hệ thống ta 67

thấy bơm bánh răng là sự lựa chọn phù hợp nhất do :

* Bơm bánh răng cĩ dải áp suất p = 100 – 250 bar ;

* Bơm bánh răng cĩ dải lưu lượng phù hợp Q < 100 (l/ph) ;

* Kết cấu bơm bánh răng khá nhỏ gọn, thuận tiện cho lắp ráp và bảo dưỡng sau này.

Các phương án thiết kế

Sơ đồ mạch thủy lực