6.2.2.1 Bộ phận tác động: Cylinder – Piston.
Trong phần này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu về bộ phận tác động chuyển động tịnh tiến, đó là: cylinder – piston, động cơ tịnh tiến, động cơ tuyến tính…
6.2.2.1.1 Nhiệm vụ của cylinder – piston:
Biến đổi năng lượng áp suất của chất lỏng thành cơ năng. Có 3 dạng bộ phận tác động:
Bộ phận tác động chuyển động tịnh tiến – cylinder thủy lực. Bộ phận tác động chuyển động quay - Động cơ thủy lực. Bộ phận tác động bán quay (giới hạn góc quay).
87
6.2.2.1.2 Các thành phần cơ bản của cylinder-piston: ( hình 6.2) Cylinder có hình trụ tròn, là bộ phận cố định, bên trong cylinder có bộ
phận chuyển động tới lui theo chu kì gọi là piston. Piston thường được nối với thanh truyền. Trong hệ thống thủy lực, thanh truyền được nối với piston để truyền động năng từ piston lên tải, cũng có trường hợp không dùng thanh truyền piston tác động trực tiếp lên tải, lúc này piston thường được gọi tên là
Hình6.2 – Các thành phần cơ bản của cylinder - piston.
thanh đẩy hay trụ đẩy. Phía cylinder có thanh truyền nhô ra gọi là ’’đầu thanh’’ và phía không có thanh truyền gọi là ’’đầu nắp’’.
* Cấu trúc thanh truyền piston:
Hoạt động với cả 2 phần trong và ngoài buồng cylinder. Phần mặt ngoài của thanh truyền cần phải phẳng, cứng và vòng đai phải kín. Tính chống mòn cần phải được chú ý đến. Người ta thường phủ 1 lớp crôm lên các bề mặt của
88
thanh truyền, tuy nhiên lớp crôm này có thể bị rổ dạng tổ ong, nó sẽ tạo điều kiện cho việc hấp thụ hơi nước vào nơi ấy và cuối cùng dẫn đến nguyên nhân oxy hóa. Trong môi trường nước khắc nghiệt, người ta thường sử dụng thép được phủ 2 lớp crôm và niken. Thông thường độ dày của lớp phủ từ 40÷150m, thỉnh thoảng cũng sử dụng thép chống gỉ để thay thế. Để khắc phục những khiếm khuyết của vật liệu kim loại người ta phủ lên nó 1 lớp ceramic.
6.2.2.1.3 Phân loại cylinder-piston:
Cylinder-Piston tác động đơn: hình 6.3
Loại này có cửa nạp vừa là cửa xả chung trong cylinder và piston chỉ sinh theo một chiều chuyển động. Khi dầu thủy lực được bơm vào cylinder, piston (hay trụ đẩy) sẽ chuyển động và sinh công. Piston sẽ trở về vị trí ban đầu do trọng lượng của tải hay do lực đẩy của lò xo và dầu bị ép trở về bình chứa.
Hình 6.3 – Cylinder - Piston tác động đơn
89
Cylinder-Piston tác động kép: Trong cylinder-piston tác động kép, piston sẽ sinh công theo cả 2 chiều tịnh tiến. Dầu thủy lực sẽ vào / ra trong cylinder ở cả 2 bên piston vì vậy trên cả 2 đầu cylinder đều có cửa nạp và cửa xả. (hình 6.4)
Sự lưu động của của dầu thủy lực được điều khiển bởi van 1 chiều hoặc
bơm thủy lực đảo chiều.
Hình 6.4 – Cylinder - Piston tác động kép
Cylinder-Piston kiểu bậc: hình 6.5
Chiều dài của cylinder-piston là tổng chiều dài của thanh đòn, bề dày của piston, đáy, đỉnh và chiều dài của thanh truyền. Kiểu cylinder-piston này được sử dụng trong trường hợp hạn chế về chiều dài của máy. Hầu hết cylinder-piston kiểu bậc đều tác động đơn.
90
Hình 6.5 – Cylinder - Piston kiểu bậc Hình 6.6 – Cylinder – Piston kiểu pluger
Cylinder-Piston kiểu pluger: hình 6.6
Loại cylinder-piston này không có piston hoặc piston không kín với cylinder. Cylinder chỉ dùng như cylinder đẩy, điều này sẽ dẫn đến piston có mối quan hệ về bề dày với thanh truyền.
6.2.2.1.4 Tính chọn cylinder-piston:
Các piston của cylinder công tác được làm đặc hoặc rỗng. Piston truyền lực tới đầu ép và chịu nén. Kiểu liên kết giữa piston với đầu ép có thể là kiểu liên kết cứng (đuôi piston ngậm chặt đầu vào đầu ép).
Các cylinder thường được chế tạo theo kiểu rèn từ thép Cacbon 45 hoặc 60, bề mặt của chúng được tôi và đánh bóng cẩn thận (độ nhám bề mặt không quá 0.63 và độ chính xác tương đương cấp 2 khi lắp vào ống dẫn hướng). Các piston được liên kết cứng với đầu ép, thường được chế tạo từ thép hợp kim crôm – môlipden, độ cứng bề mặt công tác của piston bằng 48÷60HRC.
91
* Tính toán các thông số kỹ thuật của cụm cylinder – piston:
Gọi Dc - là đường kính trong của cylinder, mm. Dr - là đường kính của trục piston, mm.
A - là diện tích mặt trong cylinder, diện tích đĩa piston, mm2. p - là áp suất của hệ thống thủy lực, N/m2.
F - là tải trọng làm việc, N.
Theo như yêu cầu thiết kế lốp xe quy cách 2.25/2.5-17, 2.75/3-17, 2.25/2.5- 16, 2.75/3-14, 3.5/4-10 năng suất 30.000 chiếc/ tháng
Ta vẽ được các khuôn, phù hợp với các kích thước lốp quy cách ở trên sau đó dùng phần mềm solidworks tính toán khối lượng.
92
Hình 6.7 – Mô hình thiết kế 3D máy lưu hóa 2 tầng
Theo như mô hình cho thấy thì cơ cấu cylinder- piston chịu trọng lượng của: bệ đỡ khuôn dưới, khuôn dưới, khuôn giữa, 3 lòng khuôn chứa săm xe, vật liệu chế tạo tất cả đều làm bằng thép đúc.
Dùng phần mềm solidworks sau khi thiết kế ta có trọng lượng cần thiết như sau:
*Bệ đỡ khuôn dưới: 64492.92 grams
93 *Khuôn dưới: 61788.18 grams
Hình 6.9 – trọng lượng khuôn dưới
94
Hình 6.10 – trọng lượng khuôn giữa
*3 Lòng khuôn chứa săm xe: đơn cử tính cho khuôn chứa săm quy cách 2.25-17 Ta có khối lượng là :
95
Như vậy: F =(65+62+70+104) x 9.81 = 2953 (N).
Ở đây ta chọn áp suất của hệ thống p=85 (bar). Cylinder làm từ thép đúc có [σ] = 80÷100 MPa.
Kiểm tra lại theo công thức (3.4.2f), ta có áp suất tối ưu của hệ thống: 3 2 OT p = 3 2 10 . 100 6 ≈ 28900000 (N/m2) = 289 (bar). Như vậy pOT > p. Nên ta chấp nhận áp suất của hệ thống p = 85 bar.
Từ áp suất hệ thống ta suy ra các thông số của cylinder – piston theo mối quan hệ kỹ thuật: 4 2 5 3 10 10 85 2593 m p F A Dc A 0.02 m 14 . 3 10 3 4 4 4
Như vậy theo bảng 4.1(trg140-Tài liệu I), ta chọn Dc=56(mm). Và đường kính thanh truyền Dr=50(mm).
* Chiều dài thanh truyền piston L, mm.
Để đảm bảo sức bền của thanh truyền piston khi làm việc, chiều dài Lp của trục piston phải thõa mãn công thức sức bền vật liệu sau:
2 2 L EJ K
Với K – tải trọng tới hạn, kg;
E – môđun đàn hồi, E=2.1x106 kg/cm2 (đối với thép); . J – mômen quán tính đối với tâm thanh truyền.
96 64 4 d J (cm4)
Như vậy ta thay các số liệu vào, ta được L:
64 195 2 10 1 . 2 14 . 3 3 6 4 2 K EJ L 288.71 (mm). Để đảm bảo độ bền trục piston ta chọn Lp= 695(mm). 6.2.2.2 Hệ thống van:
6.2.2.2.1 Nhiệm vụ của van thủy lực :
Van thủy lực có nhiệm vụ điều khiển dòng thủy lực, tín hiệu điều khiển và bộ phận tác động thủy lực. Van thủy lực thường được sử dụng điều khiển tốc độ dòng, điều khiển hướng và điều khiển áp suất thủy lực. Tuy nhiên một số van có đa chức năng, có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ điều khiển.
Tín hiệu điều khiển van có thể là tín hiệu cơ khí, tín hiệu bằng tay, thủy lực, khí nén hoặc điện. Tác động của van điều khiển có thể là tín hiệu số (digital) hay tín hiệu tương tự (analogue).
Thông thường van có những chức năng sau:
Van tràn được sử dụng để giữ áp suất của mạch thủy lực.
Van trục ống 4 cổng có thể sử dụng để thay đổi trực tiếp chiều quay của mô tơ thủy lực.
Van điều khiển lưu lượng sử dụng để thay đổi tốc độ của bộ tác động.
Trong thực tế thì 2, 3 hoặc nhiều van được nối với nhau thành 1 van ghép có nhiều chức năng.
97
6.2.2.2.2 Phân loại van thủy lực :
Các van được đánh giá bằng kích thước, khả năng chịu áp lực và mức độ giảm áp. Có rất nhiều kiểu thiết kế van thủy nhưng nhìn chung lại thì có một số van chính sau đây.
Van tràn áp: loại này sử dụng trên một số nơi trong máy thủy lực, trên đường về của mạch để duy trì áp suất trong thắng thủy lực, trên đường ống dẫn…. Trên cylinder thủy lực để khỏi quá tải, đường ống thủy lực không bị nứt vỡ…. Trong các thùng chứa để duy trì một áp suất ngăn không cho nước đọng lại và ô nhiễm.
Van giảm áp: loại van này sử dụng để giới hạn áp suất không vượt quá mức yêu cầu của mạch. Đây là loại van thường mở, áp suất vào sẽ cân bằng với lực lò xo, khi áp suất tăng lên thì thắng lực lò xò và dòng lưu chất sẽ chảy qua van về thùng chứa nên áp suất giảm.
Van tuần tự: van này được sử dụng để truyền dòng thủy lực đến hệ thống thứ cấp, chỉ sau khi có hoạt động xảy ra trong hệ thống sơ cấp. Đây là loại van thường đóng, và chỉ mở dòng thủy lực ra đến hệ thống thứ cấp, khi hệ thống sơ cấp đạt đến ngưỡng áp suất thiết đặt trước. Áp suất của hệ thống sơ cấp sẽ được duy trì lại sau khi van thực hiện hoạt động ‘’thứ tự’’.
Van 1 chiều: loại van đơn giản nhất, đây là loại van hoạt động chỉ có 1 chiều đi không có chiều ngược lại, nó cho phép tích trữ để nạp hoặc duy trì áp lực khi máy không hoạt động.
Van 1 chiều có đường điều khiển: đây là van 1 chiều thường đóng nhưng có thể điều khiển bằng tín hiệu từ bên ngoài. Ví dụ như tải trọng không thể giữ được bởi áp suất của van 1 chiều. Thông thường, áp suất bên ngoài vào đường ống khác được kết nối với mô tơ hay cylinder.
98
Van treo tải: thực chất van treo tải là 1 dạng đặc biệt của van 1 chiều có đường điều khiển. Nhưng ngược lại với van 1 chiều là có thể mở hoặc đóng, van treo tải chỉ 1 phần nhỏ của van điều khiển lưu lượng có đường điều khiển.
Van ngắt: loại van này được thiết kế như một thiết bị từ động bịt kín các đường dẫn thủy lực nếu như áp suất thủy lực quá cao hoặc quá thấp hơn áp suất đã định.
Các loại van phụ trợ: các hệ thống thủy lực phức tạp thường hay sử dụng nhứng khối van phụ trợ để thực hiện nhứng chức năng phức tạp không thể thấy được như bộ tích trữ thủy lực, quạt làm mát. Các van này thường được thiết kế phù hợp cho những máy riêng biệt.
6.2.2.2.3 Chọn van thủy lực :
Theo sơ đồ mạch thủy lực ở phần trên, ta chọn 3 loại van: Van tràn áp.
Van 1 chiều. Van Solenoid.
Sau đây là phần tính toán 3 loại van được nêu ở trên.
6.2.2.2.3.a. Van 1 chiều: (hình 6.12a)
99
Hình 6.12a – Sơ đồ kết cấu van một chiều.
6.2.2.2.3.b. Van tràn: (hình 6.12b)
Van tràn có 1 lò xo, 1 vít điều chỉnh, 2 cổng P và T. Cổng T là nơi chất lỏng sẽ về thùng dầu khi van mở. Đây là van thường đóng, van mở khi áp lực chất lỏng trên đường ống thắng được lực lò xo, đẩy thanh chặn qua trái làm chất lỏng sẽ thông với cổng T mà về thùng chứa, áp lực trong mạch sẽ giảm đén khi nào cân bằng với lực lò xo.
Hình 6.12b – Sơ đồ kết cấu van tràn.
6.2.2.2.3.c Van solenoid: (hình 6.12c)
Van solenoid có 4 cổng. Cổng P nối với thùng chứa, cổng T để đưa chất lỏng về, cổng A và B là 2 cổng nới với đường ống chính.
Van solenoid hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng từ. Khi cuộn dây có điện sẽ biến lõi sắt thành nam châm và đồng thời hút ống cuộn về phía lõi sắt làm cho ống cuộn chuyển động. Quá trình này sẽ làm đóng mở các cổng van và van solenoid hoạt động. Khi mất điện thì dưới tác dụng của lực lò xo thì ống cuộn sẽ trở về vị trí cân bằng ban đầu.
100
Hình 6.12c – Sơ đồ kết cấu van Solenoid.
6.2.2.3 Bơm thủy lực:
6.2.2.3.1 Nhiệm vụ của bơm thủy lực:
Đẩy dầu thủy lực vào hệ thống và tạo nên dòng lưu động. Có thể nói bơm đã chuyển cơ năng thành năng lượng áp suất trong lưu chất, sau đó năng lượng áp suất lại chuyển thành cơ năng trên bộ phận tác động.
101
Hình 6.13 – Các thành phần cơ bản của một máy bơm
Một cửa nạp để đưa dầu từ bình chứa hoặc từ nguồn chứa vào bơm.
Một cửa thoát dầu nối với đường ống áp lực.
Buồng bơm để tải dầu từ cửa nạp đến của thoát.
Các cơ cấu khác đảm bảo hoạt động của bơm. 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 dưới 300 bar (3x107N/mm2).
+ Bơm cánh quạt: đơn giản, rẻ tiền, độ tin cậy cao. Loại này dùng tốt với hệ thống có lưu lượng cao nhưng áp suất thấp tại đầu ra.
+ Bơm piston hướng trục: loại bơm này dùng thay đổi lưu lượng dòng ra để điều khiển áp suất trong lưu chất.
+ Bơm piston hướng kính: loại bơm này dùng với hệ thống đòi hỏi áp suất lưu chất cao nhưng lưu lượng nhỏ.
Bơm piston đắt hơn bơm cánh quạt và bơm bánh răng, nhưng tuổi thọ của bơm cao khi hoạt động ở áp suất lớn, sử dụng với nhiều loại chất lỏng khác nhau.
6.2.2.3.2. Tính chọn bơm thủy lực:
Xuất phát từ các thông số như: +Áp suất hoạt động lớn nhất. +Dạng điều khiển.
+Tốc độ hoạt động của bơm. +Dạng chất lỏng sử dụng.
102
+Giá thành. +Bảo dưỡng.
Ở đây ta chọn loại bơm bánh răng vì kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và áp suất cung cấp lại lớn nhưng lưu lượng nhỏ. Bảo dưỡng lại dễ dàng và điều khiển đơn giản…
Theo như trên ta có:
F =(65+62+70+104) x 9.81 = 2953 (N).
Ở đây ta chọn áp suất của hệ thống p=85 (bar). Cylinder làm từ thép đúc có [σ] = 80÷100 MPa.
Kiểm tra lại theo công thức (3.4.2f), ta có áp suất tối ưu của hệ thống: 3 2 OT p = 3 2 10 . 100 6 ≈ 28900000 (N/m2) = 289 (bar). Như vậy pOT > p. Nên ta chấp nhận áp suất của hệ thống p = 85 bar.
Từ áp suất hệ thống ta suy ra các thông số của cylinder – piston theo mối quan hệ kỹ thuật: 4 2 5 3 10 10 85 2593 m p F A Dc A 0.02 m 14 . 3 10 3 4 4 4
Như vậy theo bảng 4.1(trg140-Tài liệu I), ta chọn Dc=56(mm). Và đường kính thanh truyền Dr=50(mm).
Gọi Q là lưu lượng do bơm cung cấp,(lít/s). V là vận tốc dòng chảy,(m/s).
Để thời gian lưu hóa hoàn thành sau 5 phút đối với máy dạng này và nhiệt độ lưu hóa là thì do tính chất nhiệt của cao su nên ta chọn thời gian lưu
103
hóa là khoảng 3.5-3.6 phút và chọn ra thời gian đi hết hành trình của piston là khoảng 3-4 giây, thời gian còn lại là thời gian các cơ cấu khác vận hành. Dựa theo bản vẽ thiết kế thì hành trình của piston đi hết là chiều dài làm việc
của xy lanh là 396mm
Vậy suy ra vận tốc dòng chảy cần đạt được là:
Q=vxA = 4 2 3 3 10 2 . 2 4 ) 10 50 ( 14 . 3 4 10 396 (m3/s)=0.22(l/s)= 13(l/ph) So sánh với bảng 5.11(trg 216-TL1), ta thấy thỏa mãn về cách chọn.
Như vậy công suất của bơm P(kW), nếu như ta lấy hiệu suất bơm =0.85
2.2 1000 60 85 . 0 10 85 10 13 60 5 3 p Q P (KW)
Dựa vào bảng p1.3/trang 237 sách “Tính Toán Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ