TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VAÌ KẾT CẤU
5.2 .TÍNH TOÁN THUỶ LỰC CHO BỘ PHẬN TẠO LỰC CẮT:
Ngày nay thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Phần lớn các máy đang được sử dụng ở nước ta hiện nay đều đang có các cơ cấu thuỷ lực thể tích, ngành công nghiệp chế tạo máy ở nước ta đã bắt đầu chế tạo các hệ thống truyền dẫn thuỷ lực và các phần tử thông dụng của hệ thống này.
Truyền dẫn thuỷ lực là một hệ thống truyền động dùng môi chất lỏng (các loại dầu ép ) làm khâu trung gian để truyền. Truyền động được,thực hiện bằng cách cung cấp cho dầu một năng lượng dưới dạng thế năng , sau đó biến đổi thế năng của dầu thành động năng để thực hiện các chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến .
Bất kỳ một hệ thống truyền động thuỷ lực nào cũng có hai phần chính: -Cơ cấu biến đổi năng lượng ( bơm, động cơ ,xi lanh ).
-Cơ cấu điều khiển điều chỉnh (các loại van ).
Ngoài ra còn có các thiết bị phụ khác để đảm bảo hệ thống làm việc.
Phần lớn các thiết bị cơ cấu trong truyền dẫn thuỷ lực đã được tiêu chuẩn hoá nên việc thiết kế tính toán và lựa chọn sao cho phù hợp với cá tiêu chuẩn trên.
So với các loại truyền dẫn khác , truyền dẫn thuỷ lực có nhiều ưu điểm hơn: -Kết cấu nhỏ gọn.
-Tự động hoá dễ dàng. -Dễ đề phòng quá tải.
-Truyền được công suất cao,lực lớn, cơ cấu tương đối đơn giản, độ tin cậy cao, ít chăm sóc và bảo dưỡng.
-Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ áp suất.
-Điều khiển vô cấp,dễ thực hiện tự động hoá theo điều kiện làm việc hoặc chương trình.
-Hoạt động ít gây tiếng ồn.
5.2.1.Tính toán xi lanh truyền lực cho bộ phận dao cắt:
Nội dung tính toán thiết kế :
-Xác định tải trọng tác động lên cơ cấu chấp hành .Từ đó tính toán các thông số của xi lanh.
-Lựa chọn các thông số của bơm về áp suất ,lưu lượng , và công suất . -Lựa chọn các phần tử thuỷ lực phù hợp với hệ thống .
-Tính các tổn thất về áp suất, lưu lượng trong hệ thống
Lựa chọn xi lanh truyền lực cũng như tính toán đường kính cần thiết của xi lanh nó phụ thuộc vào đặc điểm làm việc của máy, chủ yếu là phụ thuộc vào vận tốc và lực làm việc của pittông.
Lực cắt cần thiết của đầu dao để cắt đứt kim loại , thêm vào đó cơ cấu xi lanh thuỷ lực phải tác động thêm một lực F tác dộng lên lò xo kẹp chặt
(Fmax =24.114 (N)), do đó lực cần thiết mà cơ cấu piston - xi lanh thuỷ lực phải tạo ra là:
P = Pc + Fmax
= 767.588 + 24.114 = 791.102 (N)
với lực này ta dùng 2 cơ cấu xi lanh thuỷ lực, do đó lực cần thiết ở mỗi xi lanh là: Pxl = 2 P = 395.851 2 702 . 791 = (N).
Chọn sơ bộ áp suất đầu ra của bơm là: pb =100 (bar) =10 (N/mm)
Trong hệ thống thuỷ lực tạo lực cho cặp dao cắt và kẹp phôi có tổn thất áp suất khi dầu đi qua các hệ thống điều khiển như bộ lọc, van tràn, van tiết lưu điều chỉnh được, van 1 chiều, van điều áp, tổn thất trên đường ống,...
Phương trình cân bằng áp suất trong hệ thống như sau: Pb =Plx + ∆p1 + ∆p2 + ∆p3 + ∆p4 + ∆p5 + ∆p6
Trong đó : Pxl : áp suất dầu tác dụng lên bề mặt Piston - xilanh . Pb : áp suất đầu ra của bơm, Pb = 100bar
∆P1: Tổn thất áp suất của bộ lọc dầu : ∆P1 = 1.5 bar ∆P2 : Tổn thất áp suất của bộ van tràn, ∆P2 = 2.5 bar
∆P3 : Tổn thất áp suất của van tiết lưu điều chỉnh được, ∆P3 = 4 bar ∆P4 : Tổn thất áp suất của van đảo chiều, ∆P4 = 2 bar
∆P5 : Tổn thất áp suất của van 1 chiều, ∆P5 = 1.5 bar
∆P6 : Tổn thất áp suất trên đường ống dẫn dầu, ∆P6 = 1.5 bar Do đó : Pxl = Pb - (∑∆P) = 100 - ( 1.5 + 2.5 + 4 + 2 + 1.5 + 1.5 ) = 87 (bar) = 870 bar
-Tiết diện của piston : F =
xl xilanh p P
Trong đó : Pxilanh : lực công tác cần thiết mà mỗi xi lanh phải tạo ra . Pxilanh = 395851 (N)
pxl = 8,7( N/mm2) : áp suất dầu tác dụng lên piston - xilanh . Suy ra : Fpt = 45500( ) 7 . 8 395851 2 mm =
- Đường kính trong của xilanh là :
Từ Fpt = 2 14490,5 240( ) 14 , 3 45500 2 2 4 2 mm F D D ≈ = = = ⇒ π π
- Đường kính cần của piston : K = d K D D d . = ⇒ Do pb > 30 (bar) nên chọn K = 0.5 ⇒d = 0,5 * 240 = 120 (mm)
- Lưu lượng làm việc của xilanh là : Qxl = Fpt.v
Trong đó : V : vận tốc đầu dao khi ở hành trình cắt,
do lực cắt P = 767588 (N) < 20(MN) nên Vct =( 5÷100) mm/s Chọn Vct = 50 (mm/s)
Fpt : Tiết diện piston = 45500( ) 4 240 14 . 3 4 2 2 2 mm D = π Do đó : Qxl = F.V = 45500 x 50 = 2275000 ( mm3/s) = 2.275 dm3/s = 136,5 (lít/phút)
Vlên = 66( / ) 4 120 * 14 , 3 45500 2275000 2 mm s F F Q cân xlanh xl = − = −
• Công suất cắt của máy : N = P.v
Trong đó :
P : lực để cắt tấm thép và lực ép lên lò xo của xilanh (N), P = 791702 (N) v : Vận tốc khi ở hành trình cắt (m/s), v =50 (mm/s)= 0,05 (m/s)
N : Công suất cắt ( N )
Suy ra : N = 791702 * 0,05 = 39585 (W)
- Công suất cần thiết của động cơ điện làm quay bơm dầu là : Nct =
µ
N
Với µ =0,6÷0,8:Hiệu suất của bơm dầu, chọn µ =0,75 ) ( 78 , 52 ) ( 52780 75 , 0 39585 KW W Nct = = = ⇒
⇒Do vậy cần phải chọn động cơ dùng để quay bơm dầu thích hợp vừa đảm bảo đủ công suất cho yêu cầu của quá trình cắt vừa phải có tính năng làm việc phù hợp với yêu cầu truyền động cho bơm, phù hợp với môi trường bên ngoài, vận hành được an toàn và ổn định . Hơn nữa chọn công suất động cơ phải phù hợp để đảm bảo tính kinh tế, hạ giá thành chung của sản phẩm, tăng hiệu suất của động cơ và làm cho kết cấu không bị cồng kềnh .
Từ những yêu cầu cần thiết đặt ra ta cần chọn động cơ có công suất Nđc ≥ Nct
Do vậy ta chọn loại động cơ đồng bộ, che kín, có quạt gió loại A02-91 có công suất 55 kw, số vòng quay 1000( v/ph ).
Chọn bơm dầu cho hệ thống cung cấp thuỷ lực .
Như trên đã tính, ta có lưu lượng cần thiết cho 1 xilanh kih làm việc là
Qxl = 1365 lít/ phút, nhưng trong sơ đồ thuỷ lực ta phân tích cần thiết phải dùng 2 xilanh .
Do vậy lưu lượng cần thiết bơm phải cung cấp cho hệ thống máy là : Qct = 2 Qxl = 2.136,5 = 273 ( l/ph)
Mặt khác áp suất cần thiết bơm phải tạo ra là Pct = 100 (bar), do vậy ta phải so sánh chọn loại bơm hợp lý đảm bảo lưu lượng và áp suất yêu cầu .
Bơm dầu là phần đầu tiên trong hệ thống dầu ép để biến đổi cơ năng thành thế năng và động năng nhằm thực hiện một công có ích .
Trong hệ thống dầu ép chỉ dùng loại bơm thể tích, tức là loại thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc : khi thể tích buồng làm việc tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút ; và khi thể tích buồng làm việc giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén . Nếu trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt một vật cản, dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm .
Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân biệt được 2 loại bơm thể tích : bơm có lưu lượng cố định và bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh được .
Về mặt kết cấu, bơm thể tích ( cả bơm cố định và bơm điều chỉnh ) có thể phân ra các loại chính như : bơm bánh răng, bơm cánh gạt và bơm piston . Mỗi loại kết cấu bơm đều có những ưu nhược điểm riêng, do vậy ta phải phân tích lựa chọn loại bơm có hiệu quả kinh tế và đơn giản về kết cấu nhất đồng thời làm việc phải đáp ứng được với yêu cầu cần thiết mà bơm phải tạo ra .
Sau khi phân tích lựa chọn ta xác định sử dụng loại bơm cánh gạt kép loại có áp suất 100 bar, lưu lượng tạo ra là 300 (l/ph), vì loại này được sử dụng cũng khá rộng rãi do có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo cho được áp suất và lưu lượng lớn đáp ứng được yêu cầu đặt ra .
• Xác định tiết diện ống dẫn dầu :
Theo điều kiện liên tục của dòng chảy và tổn thất áp suất là lớn nhất thì đướng kính các lỗ cấp dầu của xilanh được chọn sao cho tốc độ đường dầu trong ống dẫn đạt 5 (m/s), lúc đó đường kính lỗ cấp dầu là :
dống = 0,13 D
với D : đường kính của xilanh . dống =0,13. 240 =31,2 (mm)
Theo tiêu chuẩn ta chọn đường kính ống dẫn dầu là dống = 32 (mm)
• Xác định tổn thất thể tích trên hệ thống .
Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do sức cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành (xi lanh thuỷ lực) .Sức cán này chủ yếu được hình thành do chiều dài ống dẫn ,sự thay đổi tiết diện ống dẫn ,thay đổi hướng chuyển động cũng như sự thay đổi của vận tốc chuyển động và độ nhớt của dầu gây nên.
Vì vậy tổn thất áp suất có thể xảy ra ở nhiều bộ phận trong hệ thống thuỷ lực
Nếu gọi p0 là áp suất mà bơm cung cấp vào hệ thống , p1 là áp suất đo tại buồng công tác cúa cơ cấu chấp hành ,thì tổn thất áp suất cúa hệ thống đựơc biếu thị ở dạng hiệu suất η : η = 0 0 1 0 p p p p p − = ∆ .
Xét về mặt kết cấu của hệ thống thuỷ lực thì tổn thất áp suất có thế qui về hai dạng tổn thất áp suất chính:
Tốn thất áp suất qua van . Tổn thất áp suất trên ống dẫn. a) Tổn thất áp suất qua van :(∆p1).
Đối với mỗi kết cấu van ta có những công thức tính toán tổn thất áp suất khác nhau. Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được những khoảng giá trị tổn thất áp suất đối với từng loại van .
Để đơn giản trong quá trình thiết kế ,ta có thể dựa vào bảng tra sau đây để tìm các giá trị tổn thất áp suất .
Bảng 5-1
Kiểu van Tổn thất áp suất
∆p1
Khoá điều chỉnh 1,5÷ 2(KG/cm2) Van đảo chiều 1,5÷ 3(KG/cm2) Van điều áp 2,5÷6(KG/cm2) Van tiết lưu 2÷3,5(KG/cm2) Van tiết lưu điều chỉnh 3÷6(KG/cm2) Van giảm áp 3÷10(KG/cm2) Van một chiều 1,5÷2(KG/cm2) Van an toàn 2÷3(KG/cm2)
Như vậy đối với sơ đồ thuỷ lực như hình vẽ, ta có các giá trị tổn thất áp suất sau đây:
Tổn thất áp suất qua van đảo chiều :2(KG/cm2) Tổn thất áp suất qua van an toàn :2.5(KG/cm2)
Tổn thất áp suất qua van tiết lưu điêù chỉnh :4(KG/cm2) Tổng tổn thất áp suất trong van sẽ là:
∆p1 = 2 + 2,5 + 4 = 8,5(KG/cm2) b.Tổn thất áp suất trong ống dẫn :
Tổn thất áp suất trong ống dẫn có hai loại cơ bản : Tổn thất đường dài .
Tổn thất cục bộ .
Xét về chiều dài ống dẫn trong hệ thống thuỷ lực của máy có thể coi là khá ngắn nên ta có thể bỏ qua tổn thất áp suất do chiều dài ống.Ở đây ta chỉ quan tâm đến tổn thất áp suất cục bộ trong hệ thống ống dẫn .
Giá trị tổn thất áp suất cục bộ được tính theo công thức sau : ∆p2 =10.ξ.2γ.g .V2 (N/m2) (5-17) Hay ∆p2 =10-4.ξ.2γ.g .V2 (KG/cm2). (5-18) Trong đó:γ :khối lượng riêng của dầu (KG/m3)
g :gia tốc trọng trường g = 9,81(m/s2)
ξ :hệ số tổn thất cục bộ
Hệ số này trong từng bộ phận của hệ thống thuỷ lực thường được xác định bằng thực nghiệm. Nó phụ thuộc vào trị số Re ,phụ thuộc vào nhiệt độ ,vận tốc , hướng chuyển động của dòng dầu và hình dáng tiết diện tại nơi gây ra tổn thất.
Để đơn giản trong quá trình thiết kế ,có thể lấy giá trị tổn thất áp suất cục bộ trong ống dẫn theo công thức sau đây :
∆p2 = 0,05.pct trong đó:
pct : là áp suất của cơ cấu chấp hành. pct = p1 = 87(KG/cm2) Vậy ∆p2 = 0,05.87 = 4,35 (KG/cm2)
Dạng tổn thất thể tích trong hệ thống thuỷ lực chủ yếu do dầu chảy qua các khe hở gây ra .Nếu áp suất càng lớn ,vận tốc càng nhỏ , và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích là đáng kể .Trong các yếu tố ảnh hưởng trên thì áp suất của hệ thống là yếu tố quyết định đến giá trị tổn thất thể tích .
Tổn thất thể tích xảy ra ở mọi bộ phận trong hệ thống , chủ yếu là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng như: bơm dầu ,động cơ dầu ,xi lanh truyền lực .
Ước tính tổn thất thể tích trong hệ thống dầu ép theo công thức sau:
[ ]
∑qtt =σ.∆p< ∑qtt (5-19) Trong đó : σ : Trị số tổn thất thể tích ( cm3/s)
∆p: Tổn thất áp suất trên hệ thống . ∆p = ∆p1 + ∆p2 +∆p3 + ∆p4+.∆p5 + ∆p6
Trong đó : ∆p1: Tổn thất áp suất của bộ lọc dầu : ∆p1 = 1.5 bar. ∆p2 : Tổn thất áp suất của bộ van tràn, ∆p2 = 2.5 bar.
∆p3 : Tổn thất áp suất của van tiết lưu điều chỉnh được, ∆p3 = 4 bar. ∆p4 : Tổn thất áp suất của van đảo chiều, ∆p4 = 2 bar.
∆p5 : Tổn thất áp suất của van 1 chiều, ∆p5 = 1.5 bar. ∆p6 : Tổn thất áp suất trên đường ống dẫn dầu,
∆p6 = 0.05.pct = 0,05. 87 = 4.35 bar Và σ =σ1+σ2 +σ3
Trong đó :σ1: Trị số tổn thất thể tích đối với bơm : 0,6.10-6 (cm3/s)
σ2: Trị số tổn thất thể tích đối vớivan đảo chiều : 0,025.10-6 (cm3/s) σ3: Trị số tổn thất thể tích đối với xilanh : 0,015 (cm3/s)
(0,6+0,025+0,015)10 6(1,5+2,5+4+2+1,5+4,35)
= −
∑qtt
≈10,144*10−6(l/ph)〈[∑qtt]=0.5(l/ph)
* Phân tích chọn loại dầu trong hệ thống :
Hệ thống dầu làm việc trong giới hạn vận tốc, áp suất và nhiệt độ khá lớn . Trong điều kiện như thế, dầu dùng trong hệ thống dầu ép phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu mới có thể đảm bảo cho các cơ cấu làm việc được bình thường . Do vậy dầu phải có các yêu cầu sau :
+ Phải có tính bôi trơn tốt để đảm nhiệm chức năng bôi trơn các chi tiết máy mà nó chảy qua .
+ Dầu phải có chỉ số độ nhớt cao, tức là độ nhớt nó thay đổi theo nhiệt độ ít nhất .
+ Phải có tính trung hoà đối với tất cả những vật liệu mà nó tiếp xúc nhưng không gây han rỉ đối với kim loại, không gây hư hỏng đối với các chất sơn, chất nhựa, chất dẻo,...
+ Phải có độ nhớt thích hợp với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt nhằm đảm bảo độ dò dầu bé nhất, cũng như tổn thất ma sát ít nhất .
+ dầu cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan nước và không khí, có mođun đàn hồi tỷ nhiệt lớn, dẫn nhiệt tốt, hệ số nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ .
Trong những yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mãn được đầy đủ nhất , hiện tại người ta đã chế tạo rất nhiều loại dầu khoáng chất khác nhau cho hệ thống truyền động bằng dầu ép .
Đối với hệ thống dầu ép mà ta sử dụng có áp suất cao 100 bar, yêu cầu độ dò dầu thấp, làm việc liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, vì vậy ta sử dụng loại dầu có độ nhớt 60.10-6 m2/s, tức dầu công nghiệp 60 ( hay D = 60 cst ) có khối lượng riêng từ ( 890÷930 ) kg/ m3.
Chọn các phần tử thuỷ lực :