H ẬN X ÉT CỦA GIÁO VI ÊN DUY NX ỆT
3.2. Tính toán hệ thống phun:
Yêu cầu tính toán đưa ra là thiết kế máy ép cho sản phẩm có thể tích vật ép chọn theo tiêu chuẩn là 500 cm3, [1 – trang 145]
Ta có công thức: Fc(tấn) = P . A [6 – trang 6 ] Trong đó:
- A là diện tích hình chiếu bề mặt của sản phẩm theo phương lực ép (cm2) - Fc là ực kẹp của máy (Tấn hoặc KN), Fc = 250 Ton
- P là áp suất gây nên trong khoang do vật liệu gây nên, chọn vật liệu là nhựa Polypropylen (PP) có P = 250 kg/cm2.
Thay vào công thức: Fc(tấn) = 250 . A
A = 1000 cm2
Tổng diện tích hình chiếu của sản phẩm A = 1000 cm2 phù hợp với máy 250 Tấn. 3.2.1. Tính toán chọn bơm và động cơ điện cho máy:
Để xác định được đường kính xylanh bơm nhựa, phải xuất phát từ điều kiện đảm bảo thể tích đúc của máy. Thể tích chứa của xylanh bơm nhựa được xác định theo công thức sau:
Trong đó:
- K1 = 1,25 ÷ 1,3 : Hệ số chứa.
- Vđ: Thể tích phun (cm3). Thực tế, người ta thường chế tạo máy với đơn vị thể tích vật ép theo dãy số Vđ = 8, 16, 32, 64, 125, 250, 500, 1000 cm3
Thay vào công thức: V = 1,25 . 500 = 625 cm3.
Mặt khác thể tích chứa vật liệu của xylanh bơm nhựa còn được xác định bởi công thức [1 – trang 156]: π π = . . = . . 4 4
Trong đó: H – Hành trình piston đẩy trục vis (mm) D – Đường kính xylanh bơm nhựa (mm) K2 – Hệ số hành trình, K2 = 2 ÷ 3
Cân bằng 2 phương trình tính thể tích xylanh bơm nhựa, ta được:
4. . đ =
π. ⇒ ≈ 6,4
Tra bảng thông số thiết kế trục vít tiêu chuẩn ở chương 1. Ta chọn đường kính trục vít D = 60 mm, với độ hở giữa xylanh bơm nhựa và trục vít thì δ = 0,15 mm, tỉ số nén Hf/Hm = 2,2:1
.
Do đó, hành trình xylanh bơm nhựa: H = =. . ≈ 22,11 cm
Vậy ta chọn hành trình của trục vít: H = 4.D = 24 cm. [1 – trang 157]. Vậy thể tích chứa vật liệu tối đa của xylanh bơm nhựa thực tế:
π
= . 6 . 24 = 679
4
Áp suất lớn nhất trong xylanh phun nhựa là P = 1800 (kg/cm2), [1 – trang 145]. Do đó công suất phun nhựa vào khuôn được xác định như sau :
.
N = = .
Trong đó : V – Thể tích sản phẩm (cm3). t – Thời gian phun = 3s.
Lưu lượng nhựa vào khuôn: Q = = = 226 cm3/s Tốc độ phun dài: v = = . = . = 80 mm/s N = . = . . . . . = 41 (KW)
Vậy công suất phun nhựa vào khuôn : N = 41 KW
Các thông số quan trọng về trục vis:
Hình 3.1: Trục vít - Đường kính trục vis DTV = 6 cm
- Chiều dài trục vis L = 20.D = 120 cm
Chiều dài vùng nạp liệu L1 = 50%.L = 60 cm
Chiều dài vùng nén L2 = 25%.L = 30 cm
Chiều dài vùng định lượng L3 = 25%.L = 30 cm Số vòng quay: n = . .
√ . . ( )
Trong đó:
- D: Đường kính trục vis (cm)
- θ: Góc ma sát giữa vật liệu và trục vis . Tanθ = f = 0,28 → θ = 15,64° - α: Góc nghiêng của cánh vis. Tan α =
. Với t = ( 0,8 ÷ 1).D = 0,9 . 6 = 5,4 cm α = 16° [1 – trang 159] Vậy n = . . = √ . . ( ) . , . ° √ . ° . ( , ) = 57 vòng/phút Chọn n = 57 vòng/phút
Với n = 57 vg/ph, phù hợp số vòng quay trục vis 48 ÷ 181 vg/ph, [2 – trang 63]. - Bề dày cánh vis e = 0,1 . D = 0,6 cm = 6 mm
- Khe hở giữa trục vít và xylanh bơm nhựa: δ = 0,15 mm. - Tốc độ hóa dẻo 30 kg/h.
Công suất tiêu hao làm quay trục vít xác định bởi công thức [1 – trang 159]: Pt = 0,736.C.Dm
Trong đó: m = 2,5 – số mũ thực nghiệm và C = 0,15 ÷ 0,2, C – hệ số
Pt = 0,736 . 0,2 . 62,5 = 13 KW
Momen xoắn trên trục vít :
= 9,55. 10 . = 9,55. 10 .
13
= 2178 57
Tính toán bộ phận thủy lực tịnh tiến trục vis:
Cơ cấu chấp hành bộ xylanh-piston đặt ở cuối máy làm nhiệm vụ tạo chuyển động tịnh tiến cho trục vít cùng với động cơ dầu làm quay trục vis tạo nên áp suất cho quá trình phun nhựa vào khuôn. Quá trình tính toán chọn xylanh tạo chuyển động tịnh tiến cho trục vít sao cho thỏa mãn công suất bơm theo [9 – trang 7].
Chọn theo tiêu chuẩn đường kính xylanh, [5 – trang 140]. Chọn 3 phương án cho bộ xylanh – piston là:
= 14 = 9 , = 16 = 10 và = 18 = 11
Phương án 1: = 14
= 9 .
Hình 3.2: Sơ đồ áp suất cụm phun Ta có công thức [3 – trang 134]: A T V . P 2 = A x y l a n h . P 1 P1 = . . . = . = . . . ≈ 330,6 bar Phương án 2: = 16 = 10 Tính toán tương tự: . . . . .
P l = P h ư ơ n g á n 3 : = = . . = 1 8 = 1 1 ≈ 253 bar Tí n h t á t ơ n g t : . . . . Pl = = = = 200 bar. .
Từ ba phương án chọn xylanh thủy lực như trên, ta chọn sơ bộ phương án 2. Để thu gọn kích thước cũng như độ cồng kềnh, ta sử dụng cặp xylanh tịnh tiến bố trí song song xylanh bơm nhựa. Từ đó chọn ra được bơm thủy lực cho toàn hệ thống máy với áp suất vừa phải tiết kiệm chi phí và phù hợp với máy có thể tích đúc 500 cm3.
Theo phương án 2 vừa được chọn, ta tính được tiết diện mặt cắt ướt bằng 16 cm
đối với máy loại cũ.
Để chiều dài máy được thu gọn, ta bố trí 2 dàn xylanh song song tạo chuyển động
= 22
tịnh tiến cho trục vis, tra [5 – trang 140] ta chọn cặp xylanh vi sai
. Theo công thức : Qtl = . . . . . [1 – trang 160] Qt l = . = Công suất cần thiết của bộ phận thủy lực xylanh – piston: Ntl = , K w Vậy công suất thủy lực cần thiết: Ntl = . = , . = 41 Kw. Từ phương án được chọn ta có: Đường kính xylanh tạo chuyển động tịnh tiến D = 22 cm Áp suất làm việc đặt tại xylanh P = 253 bar Để chọn bơm cho toàn hệ thống thủy lực của máy, ta dựa vào nơi áp suất làm việc cao
nhất trong các cụm của máy ép phun. Áp suất làm việc lớn nhất chính là cụm phun, nơi quan trọng nhất của máy ép.
Để chọn được bơm phù hợp cho máy ép 250 tấn, ta phải tính được tổn thất áp suất lớn nhất của hệ thống. Tính toán sơ bộ tổn thất áp suất dựa vào phần mềm Pipe flow wizard.
Chọn đường kính trong ống dẫn ≈ 25 mm, vật liệu làm ống là thép không gỉ, chiều dài tổng thể đường ống L = 7 m, độ cao nơi đặt bơm so với bộ phận làm việc h = 2 m, số đoạn uốn cong, số lượng van thủy lực trong hệ thống, lưu lượng Q = 96,5 l/ph và loại dầu sử dụng cho hệ thống.
Hình 3.3: T su
Từ đó, ta tính sơ bộ tổn thất áp suất: ΔP ≈ 4 bar .
Vậy chọn bơm sao cho áp suất của bơm lớn hơn tổng áp suất đặt tại cơ cấu làm việc và tổn hao áp suất: Pp > P + ΔP = 253 + 4 = 257 bar
Nhận xét máy 250 tấn là máy có lực kẹp ở mức trung bình so với các máy loại lớn khác, theo [7 – trang 1] của hãng YUKEN thì bơm đơn loại A phù hợp với máy đang thiết kế.
Dựa vào [7 – trang 27], chọn bơm loại A70 áp suất làm việc tối đa Pmax = 280 bar và lượng điều chỉnh đạt 32 bar, lưu lượng riêng Dp = 70 cm3/vòng, số vòng quay n = 600 ÷ 1800 vg/ph, hiệu suất thể tích = 0,92; làm việc ở nhiệt độ 0 ÷ 60°.
Lưu lượng của bơm Qp = . Dp . n = 0,92 . 70 . 1500 = 96,6 (l/ph). .
Công suất bơm Np = = , . = 45 Kw.
Thỏa điều kiện [9 – trang 7], do đó ta chọn phương án 2 hợp lý. Do đó, thể tích thùng dầu V = (3 ÷ 5).Qp = 483 (lit)
Chọn thùng dầu V = 500 lít
Ngoài ra ta có thể tra đồ thị hình 3.4, các thông số cơ bản của bơm do hãng YUKEN cung cấp ở [7 – trang 42].
Hình 3.4: Đồ thị bơm
Do đó, tính toán sơ bộ bơm cần thiết cho máy 250 tấn và chọn bơm cho máy dựa vào đồ thị rất phù hợp.
Từ đó ta chọn động cơ điện có công suất N =
, ÷ ,
3.2.2. Tính toán chon động cơ dầu làm quay trục vis:
Để truyền chuyển động quay cho trục vít, động cơ dầu phải thông qua một hộp tốc độ có tỉ số truyền phù hợp với tính toán các thông số của trục vis ở trên.
Tính toán và chọn hộp giảm tốc trên máy ép:
Ta sử dụng hộp giảm tốc đơn giản là hộp giảm tốc bánh răng trụ.
Hộp giảm tốc bánh răng trụ được sử dụng rộng rãi hơn cả nhờ các ưu điểm: Tuổi thọ và hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, có thể sử dụng trong một phạm vi rộng của vận tốc và tải trọng.
- Hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp: Được sử dụng khi tỉ số truyền i ≤ 7 ÷ 8 (nếu dùng bánh răng trụ răng thẳng thì i ≤ 5).
Hình 3.5: Hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp
- Hộp giảm tốc bánh răng trụ hai cấp: Được sử dụng nhiều nhất, tỉ số truyền chung của hộp giảm tốc thường bằng từ 8 ÷ 40. Chúng được bố trí theo 3 sơ đồ: Sơ đồ khai triển, sơ đồ phân đôi và sơ đồ đồng trục. Ta chọn sơ đồ khai triển vì hộp giảm tốc kiểu này đơn giản nhất và được sử dụng nhiều nhất trong thực tế. Tuy nhiên, nó vẫn có nhược điểm là các bánh răng bố trí không đối xứng với các ổ, do đó làm tăng sự phân bố không đều tải trọng lên chiều dài răng, khả năng chạy mòn của bánh răng kém.
Tuy nhiên với kết cấu của các hộp giảm tốc vừa nêu không có tính đối xứng để dễ dàng thiết kế bệ nâng và di trượt trong quá trình ép phun nên ta không chọn các loại hộp giảm tốc thông thường. Để dễ dàng trong việc thiết kế bệ nâng di trượt trong quá trình ép, ta sử dụng hộp giảm tốc đặc biệt bánh răng hành tinh vừa có có tình đối xứng và nhẹ hơn hộp giảm tốc thông thường rất nhiều nhưng vẫn đảm bảo tỉ số truyền hợp lý và được chọn trong hầu hết các máy ép nhựa đang sử dụng hiện nay.
Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh được thiết kế khi trục vào và ra của hộp đồng trục với nhau, với rất nhiều phương án phân bố theo [14 – trang 35].
Với ưu điểm vượt trội so với các phương án phân bố bánh răng khác, ta chọn hộp giảm tốc phương án (hình 3.7) tại công ty VAICO.
Z3
Z2 Z1 0
Hình 3.7: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
Trong đó bánh răng Z1, Z3, Z5 là các bánh trung tâm với bánh răng Z3 cố định, bánh răng Z2, Z4 là các bánh vệ tinh và cần 0. Hộp giảm tốc loại này có thể đạt được tỉ số truyền từ 20 ÷ 200, số bánh vệ tinh c = 3 và hiệu suất η = 0,7 ÷ 0,9.
Yêu cầu đặt ra là chọn một hộp tốc độ sao cho trục công tác truyền chuyển động quay cho trục vis thông qua khớp nối thỏa mãn số vòng quay trên trục công tác đảm bảo n ≈ 57 vg/ph.
Tính toán chọn động cơ dầu làm quay trục vis: Các yêu cầu chọn động cơ: P
đ
≥ P , n ≈ n
đ
Động cơ mà ta sử dụng đây là động cơ piston hướng kính với số piston là 5.
Z4
Z5
Page | 4949
Hình 3.8: Động cơ piston hình sao
Tra bảng 3.1 [2 – trang 63], công suất của động cơ có giá trị 15 ÷ 33 Kw ứng với đường kính trục vis 60 mm, từ đó có thể chọn ra động cơ dầu thích hợp làm quay cho trục vis.
Đặc điểm của hộp giảm tốc bánh răng hành tinh phân bố như hình 3.6 có tỉ số truyền đạt từ u = 20 ÷ 200.
Chọn sơ bộ usb = 20 để tính toán chọn mua cho phù hợp.
Số vòng quay trên trục vào của hộp giảm tốc n1 = usb . n5 = 20 . 57 = 1140 vg/ph Tra [8 – trang 4], chọn động cơ dầu MR93 với các thông số sau:
- Số vòng quay ndc = 1150 vg/ph - Lưu lượng riêng Dm = 93 cm3/vg - Công suất P = 33,5 HP = 25 KW - Trọng lượng m = 83,78 lb = 38 kg
- Áp suất làm việc Pm = 3626 Psi = 3626 . 0,0629 = 228 (bar) Ta có hiệu suất quy định theo [14 – trang 35], η = 0,7 ÷ 0,9:
13
η = =
Hiệu suất làm việc quá thấp
= 0,52 < 0,7 ÷ 0,9
2
5 Do đó ta phải chọn lại tỉ số truyền, công suất và số vòng quay phù hợp. Chọn usb = 22, do đó ta tính được n1 = usb . n5 = 22 . 57 = 1254 vg/ph.
Tra [8 – trang 4], chọn động cơ dầu MR57 với các thông số sau: - Lưu lượng riêng Dm = 57 cm3/vg.
- Áp suất làm việc Pm = 3626 Psi = 3626 . 0,0629 = 228 (bar) - Số vòng quay trên trục động cơ ndc = 1300(vg/ph)
- Công suất làm việc 22,8 HP = 17 Kw - Trọng lượng m = 66,14 lb = 30 kg. Ta có: η = = 13 = 0,75 17
Hiệu suất làm việc thỏa mãn η = 0,7 ÷ 0,9
Vậy động cơ dầu MR57 phù hợp cho máy.
Bỏ qua hiệu suất động cơ dầu, ta có lưu lượng động cơ Qm = Dm . nm Trong đó:
Dm – Lưu lượng riêng động cơ (cm3/vg) nm – số vòng quay trên trục động cơ (vg/ph)
Lưu lượng motor Qm = Dm.nm = 57.1300 = 74100 (cm3/ph) = 76,95 l/ph.
3.2.3. Tính toán cho bộ phận cấp nhiệt:
Bộ phận cấp nhiệt trong máy ép phun là các băng gia nhiệt được bố trí ở họng phễu cấp liệu và dọc trên thành xylanh bơm nhựa. Thông thường trên các máy ép phun, số lượng băng gia nhiệt luôn luôn lớn hơn hoặc bằng 4 băng dọc trên thành, được gọi là số vùng nhiệt của máy.
Song song với việc nung nóng, để tránh hiện tượng quá nhiệt so với nhiệt độ chảy rữa của vật liệu nhựa, ta lắp ráp thêm hệ thống làm nguội xung quanh xylanh bơm nhựa, có thể làm nguội bằng nước.
Hình 3.9: Băng gia nhiệt TEMCO
Nhiệt lượng do các băng gia nhiệt tạo ra được tính bằng công thức:
Q = K . Vđ. ρ. c. (t − tđ). , [1 – trang 161]
Trong đó:
- K1 : Hệ số kể đến lượng dư, K1 = 1,2 ÷ 1,3. - Vđ : Thể tích vật đúc, Vđ = 650 cm3
- ρ : Khối lượng riêng của vật liệu ρ = 0,9 ÷ 0,91 kg/cm3
- c : nhiệt dung riêng của vật liệu nhựa PP, c = 1700 ÷ 1900 W/kg.độ - tc & tđ : Nhiệt độ cuối và đầu của vật liệu , độ
tđ = 10° ÷ 80°
tc = 220° ÷235° - tck : Chu kì ép phun , giây
Tính toán chu kì ép phun:
Chu kì ép phun là thời gian hoàn thành 1 lần ép được tính bằng công thức: Tck = Tđk + Tp + Tl + Tln + Tmk (s)
Trong đó:
Tđk – Thời gian đóng khuôn, Tđk = 5s
Tp – Thời gian phun điền đầy sản phẩm vào khuôn, Tp = 3s Tl – thời gian lùi trục vis, Tl = 4s
Tmk – Thời gian mở khuôn và đẩy sản phẩm, Tmk = 6s Tln – Thời gian làm nguội.
Hình 3.10: Chu kì ép phun một sản phẩm
Thời gian làm nguội phụ thuộc bề dày sản phẩm được tính theo công thức:
ℎ 8 − = ln
.
α. π π−
Trong đó: α – hệ số khuếch tán nhiệt, α ≈ 10-7 (m2/s) h – Bề dày sản phẩm, h = 2 mm
TE – nhiệt độ của lói đẩy sản phẩm, TE ≈ 100°C TM – Nhiệt chảy lỏng của vật liệu, TM ≈ 170°C
Tv – Nhiệt độ nước giải nhiệt. Thấp hơn nhiệt độ khuôn 10 ÷ 20°C