Chơng 5: ứng dụng thiết kế hệ thống truyền ®éng thđy lùc 5.1 øng dơng trun ®éng thđy lùc 5.1.1 Mơc ®Ých Trong hƯ thèng trun ®éng b»ng thđy lực, phần lớn nhà chế tạo, sản xuất có yêu cầu thông số kỹ thuật đợc xác định tiêu chuẩn hóa Mục đích chơng giới thiệu cho sinh viên sơ đồ lắp hệ thống thủy lực máy 5.1.2 Các sơ đồ thủy lực 5.1.2.1 Máy dËp thđy lùc ®iỊu khiĨn b»ng tay m 1.0 a A 1.2 P T 0.2 0.3 P b 1.1 T 0.1 Hình 5.1 Máy dập điều khiển tay 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van chiều; 1.2 Van đảo chiều 3/2, điều khiển tay gạt; 1.0 Xilanh Khi có tín hiệu tác động tay, xilanh A mang đầu dập xuống Khi thả tay ra, xilanh lïi vỊ 76 5.1.2.2 C¬ cÊu rãt tự động cho quy trình công nghệ đúc 1.0 1.0 P 1.3 1.2 1.1 A A B 1.1 0.2 T B P P A T T 0.3 P 0.2 0.3 P 0.1 T 0.1 Hình 5.2 Sơ đồ mạch thủy lực cấu rót phôi tự động 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.3 Van chiều; 1.1 Van đảo chiều 4/2, điều khiển tay gạt; 1.0 Xilanh; 1.2 Van cản Để chuyển động xilanh, gàu xúc xuống đợc êm, ta lắp thêm van cản 1.2 vào đờng xả dầu 5.1.2.3 Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn lò sấy Hình 5.3 Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn lò sấy 77 1.0 m 1.0 B m 1.1 A T X A B P A B P 1.2 T 1.1 0.2 T 0.3 P 0.1 0.2 0.3 P T 0.1 H×nh 5.4 Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết đợc sơn lò sấy 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van đảo chiều 4/3, điều khiển tay gạt; 1.2 Van chiều điều khiển đợc hớng chặn; 1.0 Xilanh Để cho chuyển động xilanh xuống đợc êm dừng lại vị trí bất kỳ, ta lắp thêm van chiều điều khiển đợc hớng chặn 1.2 vào đờng nén xilanh 5.1.2.4 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công Hình 5.5 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công Xilanh; Chi tiết; Hàm kẹp Khi tác động tay, pittông mang hàm kẹp di động ra, kẹp chặt chi tiết Khi gia công xong, gạt tay cần điều khiển van đảo chiều, pittông lùi về, hàm kẹp mở Để cho xilanh chun ®éng ®i tíi kĐp chi tiÕt víi vËn tèc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết lu chiều Trên sơ đồ, van tiết lu chiều đặt đờng van tiết lu đặt đờng vào (hÃy so sánh hai cách này) 78 1.0 1.0 A A 1.2 1.1 1.2 B B 1.1 0.2 0.1 T A B P T 0.3 P T B P 0.2 A T 0.3 P 0.1 Hình 5.6 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van đảo chiều 4/2, điều khiĨn b»ng tay g¹t; 1.2 Van tiÕt l−u mét chiỊu; 1.0 Xilanh 5.1.2.5 Máy khoan bàn A B Hình 5.7 Máy khoan bàn 79 Hệ thống thủy lực điều khiển hai xilanh Xilanh A mang đầu khoan xuống với vận tốc đợc điều chỉnh trình khoan, xilanh B làm nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết trình khoan Khi khoan xong, xilanh A mang đầu khoan lïi vỊ, sau ®ã xilanh B lïi vỊ më hàm 1.0 (B) kẹp, chi tiết đợc tháo 2.0 (A) A 1.3 B P 2.4 1.2 1.1 A P 2.2 2.5 P B T T 2.1 2.6 0.2 T B P A 2.3 T B P A 0.1 H×nh 5.8 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 1.1 Van đảo chiều 4/2, điều khiển tay gạt; 1.2 Van giảm áp; 1.0 Xilanh A; 1.3 Van chiều; 2.1 Van đảo chiều 4/3, điều khiển tay gạt; 2.2 Bé ỉn tèc; 2.3 Van mét chiỊu; 2.4 Van c¶n; 2.5 Van mét chiỊu; 2.6 Van tiÕt l−u; 2.0 Xilanh B Để cho vận tốc trình không đổi, trọng thay tải đổi, ta dùng ổn tốc 2.2 áp suất cần để kẹp chi tiết nhỏ, ta sử dụng van giảm áp 1.2 80 5.2 ThiÕt kÕ hƯ thèng trun ®éng thđy lùc 5.2.1 Mục đích Tất phận hệ thống thủy lực có yêu cầu kỹ thuật định Những yêu cầu đợc thỏa mÃn, nh thông số phận đợc lựa chọn thích hợp Các cấu chấp hành, cấu biến đổi lợng, cấu điều khiển điều chỉnh, nh phần lớn thiết bị phụ khác hệ thống thủy lực đợc tiêu chuẩn hóa Do đó, việc thiết kế hệ thống thủy lực thông thờng việc tính toán lựa chọn thích hợp cấu 5.2.2 Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực Trình tự: có số liệu ban đầu yêu cầu sau +/ Chuyển động thẳng: tải trọng F, vận tốc (v, v), hành trình x, ; +/ Chuyển động quay: momen xo¾n MX, vËn tèc (n, Ω); +/ ThiÕt kế sơ đồ thiết bị; +/ Tính toán p, Q cấu chấp hành dựa vào tải trọng vận tốc; +/ Tính toán lu lợng áp suất bơm; +/ Chọn phần tử thủy lực (pb, Qb); +/ Xác định công suất động điện 5.2.2.1 Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động tịnh tiÕn A1 Fs A2 x d p1 Q1 D m Q2 p2 Ft Fms pT p0 Qb Hình 5.9 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến Từ sơ ®å thđy lùc ta cã: +/ Lùc qu¸n tÝnh: Fa = m.a W (Fa = L a theo hÖ Anh) g (5.1) 81 +/ Lùc ma s¸t: Fms = m.g.f (Fms = WL.f theo hƯ Anh) +/ Lùc ma s¸t xilanh Fs th−êng b»ng 10% lùc tæng céng, tøc là: Fms = 0,10.F +/ Lực tổng cộng tác dụng lên pittông là: m.a F= + Fms + Fs + Ft [daN] 1000 WL a + Fms + Fs + Ft [lbf] Theo hÖ Anh: F = 32,2.12 Trong đó: Ft - lực tải trọng gây (ngoại lực), daN (lbf); m - khối lợng chuyển động, kg.s2/cm; WL - träng lùc, (lbf) ; a - gia tốc chuyển động, cm/s2; Fms - lực ma sát bé phËn chun ®éng, daN (lbf); Fs - lùc ma sát pittông - xilanh, daN (lbf) Ta có phơng trình cân tĩnh lực tác dung lên pittông p1.A1 = p2.A2 + F Đối với xilanh không đối xứng lu lợng vào lu lợng A Q1 = Q2.R víi R = (hƯ sè diƯn tÝch) A2 (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (5.6) Tõ ®ã ta xác định đợc đờng kính xilanh (D), đờng kính cần pittông (d) Cụ thể: ã Đờng kính xilanh: D = A1 π A1 − A Độ sụt áp qua van tỷ lệ với bình phơng hệ số diện tích R, tức là: p0 - p1 = (p2 - pT).R2 Trong ®ã: p0 - ¸p suÊt dÇu cung cÊp cho van; p1, p2 - ¸p suÊt ë c¸c buång cña xilanh; pT - ¸p st dÇu khái van; A1, A2 - diƯn tÝch hai phÝa cđa pitt«ng Tõ c«ng thøc (5.5), (5.9) ta tìm đợc p1 p2 ã Đờng kính cần pitt«ng: d = p A + R (F + p T A ) p1 = A + R3 ( ) (5.7) (5.8) (5.9) (5.10) 82 p − p1 R2 T−¬ng tù, pittông làm việc theo chiều ngợc lại thì: p1 = pT + (p0 - p2).R2 p2 = pT + p A R + F + p T A R A + R3 (5.11) (5.12) p2 = ( ) (5.13) Lu lợng dầu vào xilanh để pittông chuyển động với vận tốc cực đại là: Q1max = vmax.A1 [cm3/s] (5.14) v Q1max = max A1 [l/ph] (5.15) 16.7 Lu lợng dầu khỏi hƯ thèng lµm viƯc víi vmax lµ: (5.16) Q2max = vmax.A2 [cm3/s] v Q2max = max A [l/ph] (5.17) 16.7 Lu lợng qua van tiết lu van đảo chiều đợc xác định theo công thức Torricelli: Q = µ.A x 2.g ∆p [cm3/s] ρ (5.18) Trong đó: - hệ số lu lợng; Ax - diết diện mặt cắt khe hở [cm2]; p = (p1 - p2) - áp suất trớc sau khe hở [N/cm2]; - khối lợng riêng dầu [kg/cm3] Lu lợng bơm: chọn bơm dựa vào p Q Nđcơ điện Qb = n V v.10-3 [l/ph] Trong đó: n - số vòng quay [vg/ph]; V - thể tích dầu/vòng [cm3/vg]; v - hiệu suất thể tích [%] áp suất bơm: M.hm pb = 10 [bar] V Công suất để truyền động bơm: p Q N = b b 10 −2 [kW] 6.ηt (5.19) (5.20) (5.21) Trong đó: M - Mômen trục động nối với bơm [Nm]; hm - hiệu suất thủy lực [%]; t - hiệu suất toàn phần [%] 83 Công suất cần thiết động điện là: N [kW] Nđ = t (5.22) Tính chọn ống dẫn (èng hót, èng nÐn, èng x¶) +/ Chän vËn tèc chảy qua ống: ã ống hút: v = 0,5 ÷ 1,5 m/s • ë èng nÐn: p < 50bar v = ữ m/s p = 50 ÷ 100bar th× v = ÷ m/s p > 100bar v = ữ m/s ã ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m/s +/ Chọn kích thớc đờng kính ống: Ta có phơng trình lu lợng chảy qua ống dẫn: Q = A.v Trong ®ã: (5.23) π.d TiÕt diÖn: A = (5.24) π.d v Trong ®ã: d [mm]; Q [lÝt/phót]; v [m/s] Q ⇒v= 10 π 6.d ⇔Q= (5.25) (5.26) ⇒ KÝch th−íc ®−êng kÝnh èng dÉn lµ: d = 10 2.Q [mm] 3.π.v (5.27) 5.2.2.2 Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động quay Hệ thủy lực thực chuyển động quay đợc phân tích nh hệ thủy lực chuyển động thẳng Mômen xoắn tác động lên trục động dầu bao gồm: +/ Mômen quán tính (5.28) Ma = J. [Nm] J - mômen quán tính khối lợng trục động dầu [Nms ]; - gia tốc góc trục động dầu [rad/s2] +/ Mômen ma sát nhớt trục động dầu MD [Nm] +/ Mômen tải trọng ML [Nm] +/ Mômen xoắn tỉng céng Mx sÏ lµ: (5.29) Mx = J θ + MD + ML [Nm] 84 J ML, MD Q2 Q1 nđ, Dm p1 p2 pT p0 Qb Hình 5.10 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay Theo phơng pháp tính toán nh hệ chuyển động thẳng, áp suất p1 p2 hệ chuyển động quay đợc xác định theo công thức p + pT p1 = ⎜ ⎝ ⎞ ⎛ 10.π.M ⎞ ⎟ [bar] ⎟+⎜ ⎜ ⎟ ⎠ ⎝ Dm ⎠ (5.30) p2 = p0 - p1 + pT [bar] (5.31) Lu lợng để làm quay trục động dầu với nmax n D Q1 = Q2 = max m [l/ph] (5.32) 1000 Trong ®ã: nmax - sè vßng quay lín nhÊt cđa trơc động dầu [vg/ph]; Dm - thể tích riêng động dầu [cm3/vg] Công suất truyền động động dÇu p Q η N = 1 t [kW] (5.33) 6.10 (Phần tính toán bơm đờng ống tơng tự hệ chuyển động thẳng) Trong hai toán trên, trình tính toán cha tính (quan tâm) đến tổn thất áp suất lu lợng phần tử toàn hệ thống 5.2.2.3 Các ví dụ VÝ dơ 1: thiÕt kÕ hƯ thèng thđy lùc víi số liệu cho trớc: +/ Tải trọng: 100 +/ Träng l−ỵng G = 3000 KG 85 +/ VËn tốc công tác: vmax = 320 (mm/phút) +/ Vận tốc chạy không: vmax = 427 (mm/phút) +/ Pittông đặt thẳng đứng, hớng công tác từ dới lên +/ Điều khiển khiĨn tèc ®é b»ng van servo A1 Fs A2 v d p1 Q1 m D Q2 p2 Ft Fms pT p0 Qb Hình 5.11 Sơ đồ mạch thủy lực Bài giải: Chọn phần tử thủy lực: +/ Xilanh tải träng +/ Van servo +/ ¾c quy thđy lùc +/ Lọc cao áp (lọc tinh) +/ Đồng hồ đo áp suất +/ Van tràn +/ Bơm dầu (bơm bánh răng) +/ Van cản Phơng trình cân lực cụm xilanh tạo tải trọng A1 Fmsp A2 v v ck D ct Fmst d Fmsc Fqt Ft Q2 p2 Q1 p1 Ta viết phơng trình cân lực cụm pittông xét hành trình công tác (hành trình từ dới lên pittông) (5.34) p1.A1 - p2.A2 - Ft - Fmsc - Fmsp - G - Fqt = Trong đó: 86 p1: áp suất dầu buồng công tác p2: áp suất buồng chạy không .D A1: diện tích pittông buồng công tác A1 = A2: diện tích pittông buồng chạy kh«ng A = ( π D − d ) Ft: tải trọng công tác Ft = 1000 (kN) G: träng l−ỵng cđa khèi l−ỵng m, G = 300 (KG) Fmsp: lực ma sát pittông xilanh Fmsc: lực ma sát cần pittông vòng chắn khít Fmst: lực ma sát khối lợng m bạc trợt Fqt: lực quán tính sinh giai đoạn pittông bắt đầu chuyển động +/ Ta có lực ma sát pittông xilanh: (5.35) Fmsp = à.N Trong đó: à: hệ số ma sát Đối với cặp vật liệu xilanh thép vòng găng gang = (0,09 ữ 0,15), chọn = 0,1 N: lực vòng găng tác động lên xilanh đợc tính: N = .D.b.(p2 + pk) + .D.b.(z - 1).pk (5.36) D: đờng kính pittông (cm), theo dÃy giá trị đờng kính tiêu chuẩn ta chọn D = 27 (cm) b: bề rộng mối vòng găng, chän b = (cm) p2: ¸p st cđa bng mang cần pittông, chọn p2 = (KG/cm2) z: số vòng găng, chọn z = pk: áp suất tiếp xúc ban đầu vòng găng xilanh, pk = (0,7 ÷ 0,14) (KG/cm2), chän pk = (KG/cm2) π.D.b.(p2 + pk): lực vòng găng .D.b.(z - 1).pk: lực tiếp xúc vòng găng Fmsp = 0,5.D (5.37) +/ Lực ma sát cần pittông vòng chắn khít Fmsc = 0,15.f..d.b.p (5.38) f: hệ số ma sát cần vòng chắn, vật liệu làm cao su f = 0,5.D d: đờng kính cần pittông, chọn d = 0,5.D b: chiều dài tiếp xúc vòng chắn với cần, chọn d = b p: áp suất tác dụng vào vòng chắn, áp suất p2 = (KG/cm2) 0,15: hệ số kể đến giảm áp suất theo chiều dài vòng chắn (5.39) Fmsc = 0,029.D2 +/ Lực ma sát khối lợng m bạc trợt 87 Fmst = 2..d.l.k d: đờng kính trụ trợt l: chiều dài bạc trợt k: hệ số phụ thuộc vào cặp vật liệu trụ bạc trợt Lực bỏ qua, để bảo đảm chế độ lắp ghép làm việc +/ Lực quán tÝnh G.v Fqt = g.t (5.40) (5.41) g: gia tèc träng tr−êng, g = 9,81 (m/s2) G: khèi l−ỵng cđa bé phËn chun ®éng, G = 300 (KG) v: vận tốc lớn cấu chấp hành, vmax = 320 (mm/ph) ≈ 5,3 (mm/s) t0: thêi gian qu¸ độ pittông đến chế độ xác lập, t0 =(0,01 ÷ 0,5)(s), chän t0 = 0,1(s) ⇒ Fqt = 1,62 (KG) Thay giá trị vừa tính vào (5.34) ta cã: p1 = 179,56 (KG/cm2), chän p1 = 180 (KG/cm2) Phơng trình lu lợng +/ Xét hành trình công t¸c (5.42) Q1 = vct.Act π ⇔ Q1 = vct.D2 Q1: lu lơng cần cung cấp hành trình công tác vct: vận tốc chuyển động hành trình công tác (ở ta lấy giá trị vmax = 320mm/ph) D: diện tích bề mặt làm việc pittông (D= 270 mm) ⇒ Q1 ≈ 18312480 (mm3/ph) ≈ 18,3 (l/ph) +/ Xét hành trình lùi (tơng tự) Tính chọn thống số bơm +/ Lu lợng bơm: Qb Ta có: Qb = Q (bá qua tæn thÊt) ⇔ Qb = Qct = Q1 =18,3 (l/ph) +/ áp suất bơm: pb pb = p0 =p1 = 180 (KG/cm2) p Q +/ Công suất bơm: N b = b b (KW ) 612 180.18,3 ⇒ Nb = ≈ 5,38 ( KW ) 612 +/ C«ng suất động điện dẫn động bơm 88 (5.43) Ta có: Nđc = Nb d b (5.44) Nđc: công suất động điện b: hiệu suất bơm, b = (0,6 ÷ 0,9), chän ηb = 0,87 ηd: hiƯu suất truyền động từ động qua bơm, chọn d = 0,985 (theo giáo trình chi tiết máy tập cđa Ngun Träng HiƯp) 5.38 ≈ 6,24 (KW) ⇒ N®c = 0,985.0,87 Tính toán ống dẫn Ta có lu lợng chảy qua ống: .d v Q: lu lợng chảy qua ống (l/ph) d: đờng kính ống (mm) v: vËn tèc ch¶y qua èng (m/s) Q= ( π 10 −3.d C.thøc (5.45) ⇔ ) = Q Q ⇒ d = 4,6 v 10 60 (5.45) (5.46) Đối với ống nén v = (6 ÷ m/s), chän v = m/s ⇒ d n = 4,6 18,3 = 8,03 ( mm ) Đối với ống hút v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chän v = 1,5 m/s ⇒ d h = 4,6 18,3 = 16,06 (mm) 1,5 Đối với ống xả v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chọn v = 1,5 m/s ⇒ d x = 4,6 18,3 = 16,06 (mm) 1,5 Ví dụ 2: Để thực lợng chạy dao máy tổ hợp, trờng hợp tải trọng không đổi, ngời ta dùng hệ thống thủy lực nh sau Sè liƯu cho tr−íc: Lùc ch¹y dao lín nhÊt: Fmax = 12000N Lợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph Lợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 500 mm/ph Trọng lợng bàn máy: G = 4000 N 89 Đây hệ thống thủy lực điều chỉnh tiết lu Lợng dầu chảy qua hệ thống đợc điều chỉnh van tiết lu đặt đờng ra, lợng dầu tối thiểu chảy qua van tiÕt l−u ta chän lµ Qmin = 0,1 l/ph TÝnh toán thiết kế hệ thống Ví dụ 3: Trong trờng hợp tải trọng máy thay đổi, dao động với tần số thấp; cần phai lắp ổn tốc Ta xét trờng hợp lắp ổn tốc đờng vào hệ thống thủy lực Các số liƯu cho tr−íc: T¶i träng lín nhÊt: Fmax = 20000 N Lợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph Lợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 1000 mm/ph Trọng lợng bàn máy: G = 5000 N Hệ số ma sát: f = 0,2 Lợng chạy dao cần thiết đợc điều chỉnh van tiết lu ổn tốc ta chọn lợng dầu nhỏ chảy qua van tiết lu là: Qmin = 0,1 l/ph Tính toán thiết kế hệ thống Ví dụ 4: Trên máy mài, thờng dùng hệ thống thủy lực để thực chuyển động thẳng bàn máy phơng pháp điều chỉnh tiết lu Các số liệu cho trớc: Tải trọng lớn nhất: Fmax = 800 N Vận tốc nhỏ bàn máy: vmin = 100 mm/ph VËn tèc lín nhÊt cđa bµn máy: vmax = 20000 mm/ph Trọng lợng bàn máy: G = 3000 N HƯ sè ma s¸t: f = 0,2 Ta chọn lợng dầu tối thiểu qua van tiết lu là: Qmin = 0,2 l/ph Tính toán thiết kế hƯ thèng trªn VÝ dơ 5: ThiÕt kÕ hƯ thèng thủy lực thực chuyển động quay với số liƯu cho tr−íc: 90 M«men lín nhÊt: M = 20 Nm Sè vßng quay lín nhÊt: nmax = 500 v/ph Sè vßng quay nhá nhÊt: nmin = v/ph L−u lợng riêng động dầu: Qđ = 0,03 l/ph Mômen riêng động dầu: Mđ = 0,41 N/bar 91 .. .5 .1. 2.2 Cơ cấu rót tự động cho quy trình công nghƯ ®óc 1. 0 1. 0 P 1. 3 1. 2 1. 1 A A B 1. 1 0.2 T B P P A T T 0.3 P 0.2 0.3 P 0 .1 T 0 .1 H×nh 5. 2 Sơ đồ mạch thủy lực cấu rót phôi tự động 0 .1 Bơm;... này) 78 1. 0 1. 0 A A 1. 2 1. 1 1. 2 B B 1. 1 0.2 0 .1 T A B P T 0.3 P T B P 0.2 A T 0.3 P 0 .1 Hình 5. 6 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0 .1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1. 1 Van đảo... phần tử thủy lực (pb, Qb); +/ Xác định công suất động điện 5. 2.2 .1 Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến A1 Fs A2 x d p1 Q1 D m Q2 p2 Ft Fms pT p0 Qb Hình 5. 9 Sơ đồ mạch thủy lực