Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 9: Thiết kế hệ thống - Lê Thể Truyền

CENNITEC THIẾT KẾ HỆ THỐNG LE THE TRUYEN le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Một hệ thống thủy lực bao gồm 2 xy lanh và 1 động cơ thủy lực làm việc với các yêu cầu như sau: xy lanh A di chuyển một khối lượng 3600 kg trên hành trình 600 mm với vận tốc trung bình là 0.2 m/s cho cả hai hành trình đi và về. Thời gian gia tốc để đạt đến vận tốc trung bình trên là 1/5 trên toàn bộ thời gian của hành trình. Xy lanh B dịch chuyển một khối lượng là 6000 kg trên hành trình 350 mm. Trong đó, 200 mm đầu tiên xy lanh này dịch chuyển với vận tốc là 0.15 m/s và phần hành trình còn lại với vận tốc là 0.05 m/s Vận tốc hành trình về là 0.2 m/s. Động cơ thủy lực được thiết kế quay một hướng và nó cung cấp mô-men quay là 50 daNm với vận tốc quay 140 vòng/phút, chỉ trong hành trình đi ra của xy lanh B. Chu trình làm việc được qui định như sau: 1. Xy lanh A đi ra 2. Xy lanh B ra nhanh 3. Xy lanh B ra chậm và động cơ thủy lực quay 4. Xy lanh B trở về 5. Xy lanh A trở về Dầu được sử dụng có độ nhớt là 30 cSt, áp suất làm việc là 90 bar. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xác định các cơ cấu chấp hành Xy lanh A dịch chuyển khối lượng 3600 kg trên hành trình 0.6 m với vận tốc 0.2 m/s. Lực cần thiết để cân bằng với khối lượng là: P = mg = 3600 x 10 = 36 000 N = 3600 daN Lực cần để gia tốc khối lượng là F = mγ, với v = γt hay γ = v/t’ Thời gian cần để xy lanh A thực hiện hết chu trình là: t = 0.6 / 0.2 = 3 s Thời gian cần để xy lanh gia tốc là t’ = (1/5) x 3 = 0.6 s Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Gia tốc của xy lanh là γ = v/t’= 0.2/0.6=0.333 m/s2 Suy ra F = mγ = 3600 x 0.333 = 1198 N = 120 dNa Tổng lực tác động lên xy lanh sẽ là: 3600 + 120 = 3720 dNa Nếu hiệu suất của xy lanh là 0.9 thì diện tích của xy lanh sẽ là S = 3720 / (0.9 x 90) = 45.92 cm2 Chọn xy lanh có đường kính piton là D = 80 mm, khi đó diện tích xy lanh sẽ là S = 50 cm2. Áp suất cần cung cấp cho xy lanh sẽ là P = F/S = 3720 / (0.9 x 50) = 82.6 bar Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Theo catalog, xy lanh có đường kính D = 80 mm có hai loại với đường kính ti khác nhau là 45 mm và 56 mm. Ti xy lanh A được giả định có đường kính là 45 mm. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2. Xy lanh B Xy lanh B dịch chuyển một khối lượng 6000 kg trên hành trình 350 mm. Giai đoạn 200 mm đầu xy lanh chuyển động nhanh với vận tốc là 0.15 m/s. Thời gian thực hiện 200 mm đầu là: 200/150 = 1.33 s Thời gian cần để gia tốc là: t = 1.33/5 = 0.266 s Gia tốc của xy lanh B là: γ = 0.15/0.266 = 0.563 m/s2 Suy ra F = mγ = 6000x 0.563 = 3378 N = 338 dNa Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Lực cần để cân bằng với tải là P = mg = 6000 x 10 = 60 000 N = 6000 daN Tổng lực tác động lên xy lanh B là: 6000 + 338 = 6338 daN Nếu hiệu suất của xy lanh là 0.9 thì diện tích của xy lanh sẽ là S = 6338 / (0.9 x 90) = 78.24 cm2 Chọn xy lanh có đường kính piston D = 100 mm, diện tích xy lanh sẽ là 78.5 cm2. Đường kính ti xy lanh là d = 56 mm. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3. Động cơ thủy lực Động cơ thủy lực sẽ cung cấp một mô-men là 50 daNm dưới áp suất làm việc 90 bar. Giả thiết rằng hiệu suất thể tích của động cơ là 0.92. Thể tích riêng của động cơ là: q = M/(15.9 x Δp x η) = 500/(15.9 x 90 x 0.92)=0.379 lít Dựa trên catalog của các nhà sản xuất, ta chọn động cơ có thể tích riêng là 0.293 lít và hiệu suất của động cơ là: Hiệu suất cơ khí = 0.93 Hiệu suất thể tích = 0.95 Hiệu suất tổng = 0.883 Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Áp suất làm việc cho động cơ là: P = M/(15.9 x Thể tích riêng x Hiệu suất cơ khí )= 500/(15.9 x 0.293 x 0.93)= 115.4 bar Lưu lượng cần cung cấp cho động cơ là Q = (Thể tích riêng x Vận tốc)/Hiệu suất thể tích = (0.293 x 140)/0.95 = 43.17 l/min Hoặc 0.72 l/s Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xác định lưu lượng: 1. Xy lanh A Đường kính piston D = 80 mm Đường kính ti d = 45 mm Diện tích piston S = 50 cm2 Diện tích vành khăn s = 35.36 cm2 Vận tốc v = 0.2 m/s Lưu lượng cần cho hành trình đi ra của xy lanh là: Q = Sv = 50 x 20 = 1000 cm3/s = 1 l/s Lưu lượng cần cho hành trình đi về của xy lanh là: Q’ = sv = 34.36 x 20 = 687.2 cm3/s = 0.7 l/s Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xy lanh B Đường kính piston D = 100 mm Đường kính ti d = 56 mm Diện tích piston S = 78.5 cm2 Diện tích vành khăn s = 54 cm2 Vận tốc ra nhanh = 0.15 m/s Vận tốc ra chậm = 0.05 m/s Vận tốc về = 0.20 m/s Lưu lượng cần cho hành trình đi ra nhanh của xy lanh là: Q = Sv = 78.5 x 15 = 1177 cm3/s = 1.18 l/s Lưu lượng cần cho hành trình đi ra chậm của xy lanh là: Q’ = Sv’ = 78.5 x 5 = 392.5 cm3/s = 0.4 l/s Lưu lượng cần cho hành trình đi về của xy lanh là: Q’’ = sv’’= 54 x 20 = 1080 cm3/s = 1.1 l/s Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế mạch thủy lực Xy lanh A Xy lanh A Vì xy lanh A có vận tốc hành trình đi ra và về bằng nhau nên cần thiết phải có van điều chỉnh lưu lượng để chỉnh vận tốc xy lanh ở hành trình về. Vì đối với xy lanh tác động kép thì vận tốc ở hành trình về luôn lớn E1 hơn vận tốc hành trình đi ra nếu không có sự điều chỉnh lưu lượng. A B D1 Y1 P T Y2 Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xy lanh B Xy lanh B Để xy lanh B có thể làm việc với hai vận tốc khác nhau trên một hành trình ta có thể dùng A một phan phân phối 3/2 để chuyển mạch. Khi Y5 cuộn dây Y5 được cấp điện, xy lanh B chuyển sang làm việc với vận tốc chậm. P T E2 A B Y3 P T Y4 Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xy lanh B Áp suất làm việc của xy Xy lanh A lanh A và B là 90 bar, trong A khi áp suất làm việc của Y5 động cơ thủy lực là 115 P T bar. Do vậy, cần thiết phải có van giảm áp cho nhánh E1 hai xy lanh A và B. Mạch E2 thủy lực cho hai xy lanh A và B được đề nghị như sau: A B A B D1 Y1 P T Y2 Y3 P T Y4 Đến động cơ Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Động cơ thủy lực Động cơ thủy lực Động cơ thủy lực chỉ làm việc 1 hướng (khi xy lanh B đi ra) nên có thể sử dụng van phân phối 2 vị trí. Ngoài ra, một van phân phối 3/2 được lắp kèm nhằm cho phép quay trục động cơ tự do khi hệ thống đã ngừng làm việc. A B Y6 P T Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mạch thủy lực của hệ thống có thể được trình bày như sơ đồ dưới đây Xy lanh B Động cơ thủy lực Xy lanh A A Y5 P T A B E1 Y6 E2 P T A B A B D1 Y1 P T Y2 Y3 P T Y4 Đến động cơ Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Cài đặt giá trị làm việc cho các van 1) Van giảm áp Áp suất làm việc cho hai xy lanh A và B là 90 bar. Độ mất áp qua van điều chỉnh lưu lượng E2 là 10 bar. Áp suất cần bù tại buồng xy lanh để cân bằng với lực cản do van điều chỉnh lưu lượng tạo ra sẽ là: 10 x (54/78.5) = 7 bar Giả thiết rằng độ mất áp qua van phân phối là 8 bar. Vậy giá trị cần cài đặt cho van giảm áp sẽ là: 90 + 7 + 8 = 105 bar. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2) Van giới hạn áp suất Áp suất làm việc của động cơ là 115 bar. Vậy áp suất cần cài cho van giới hạn áp suất của hệ thống sẽ là: 115 + 10 +8 = 132 bar. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xác định lưu lượng cần cho các giai đoạn Xy lanh A ra nhanh: Q = 1 l/s Xy lanh B ra nhanh: Q = 1.2 l/s Xy lanh B ra chậm và động cơ quay: Q = 0.4 + 0.72 = 1.12 l/s Xy lanh B trở về: Q = 1.1 l/s Xy lanh A trở về: Q = 0.7 l/s Q l/s 1.2 l//s 1.12 l//s 1.1 l//s 1 l//s 0.7 l//s Biểu đồ lưu lượng t (s) Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG e) Xác định kích thước các ống dẫn Ống dẫn cho xy lanh A Để có được dòng chảy tầng, vận tốc dầu trong các ống dẫn được thiết kế có giá trị là 4 m/s. Lưu lượng trong trường hợp này là 1 l/s. Vậy tiết diện ống dẫn cho xy lanh A là: S = Q/v = 1000/400 = 2.5 cm2 Suy ra đường kính ống dẫn cho xy lanh A là : d = 18 mm. Theo catalog các ống dẫn theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn có đường kính là 3/4’’ ( d = 21 mm) với tiết diện là s = 3.43 cm2. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ống dẫn cho xy lanh B Vận tốc dầu trong các ống dẫn được thiết kế có giá trị là 4 m/s. Lưu lượng trong trường hợp này là 1.2 l/s. Vậy tiết diện ống dẫn cho xy lanh B là: S = Q/v = 1200/400 = 3 cm2 Suy ra đường kính ống dẫn cho xy lanh B là : d = 19.5 mm. Theo catalog các ống dẫn theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn có đường kính là 3/4’’ ( d = 21 mm) với tiết diện là s = 3.43 cm2. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ống dẫn cho động cơ thủy lực Lưu lượng trong trường hợp này là 0.7 l/s. Vậy tiết diện ống dẫn là: S = Q/v = 700/400 = 1.75 cm2 Suy ra đường kính ống dẫn cho xy lanh A là: d = 1.49 mm. Theo catalog các ống dẫn theo tiêu chuẩn ta chọn ống dẫn có đường kính là 1/2’’ (d = 15.8 mm) với tiết diện là s = 1.96 cm2 Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Xác định bơm Áp suất làm việc của động cơ là 132 bar, cộng thêm độ mất áp trong ống dẫn thì áp suất cần chỉnh cho van giới hạn áp sẽ là 140 bar. Theo sơ đồ lưu lượng đã trình bày phần trên thì lưu lượng của bơm phải là 1.2 l/s = 72 l/min. Giả thiết động cơ kéo bơm có vận tốc quay là 1450 vòng/phút thì bơm phải có thể tích riêng là: q = 72000/1450 = 49.65 cm3 Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Theo catalog ta chọn bơm có thể tích riêng là 55 cm3. Các hiệu suất của bơm là: Hiệu suất thể tích 0.93 Hiệu suất cơ 0.95 Hiệu suất tổng 0.88 Lưu lượng lý thuyết là Thể tích riêng x vận tốc = 0.055 x 1450 = 79.75 l/min Lưu lượng thực tế cung cấp là Thể tích riêng x vận tốc x hiệu suất thể tích =0.055 x 1450 x 0.93 = 74.16 l/min Công suất tiêu thụ là N = PQ/(600 x Hiệu suất tổng) = (79.75 x 140)/(600 x 0.88) = 21.2 kW Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ống dầu hồi và rò rỉ Lưu lượng thoát luôn lớn hơn lưu lượng vào khi dùng xy lanh tác động kép. Ta có: Xy lanh A: S = 50 cm2, v = 0.2 m/s. Suy ra Q = Sv = 50 x 20 = 1000 cm3/s hoặc 60 l/min Xy lanh B: S = 78.5 cm2, v = 0.2 m/s. Suy ra Q = Sv = 78.5 x 0.2 = 1570 cm3/s hoặc 95 l/min. Như vậy, để vận tốc dầu trong ống dẫn khoảng chừng 3 m/s thì ống dẫn có đường kính như ống dẫn dùng cho đường đẩy có thể sử dụng. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Lưu lượng dẩu rò rỉ của động cơ thủy lực là: Q rò rỉ = Q nhận x (1 – Hiệu suất thể tích) = 43 x (1 - 0.955) = 2.15 l/min Ống dầu rò rỉ có thể chọn là ống có đường kính trong 8 mm. Cennitec le the truyen THIẾT KẾ HỆ THỐNG Sơ đồ thủy lực và các giá trị điều chỉnh van có thể trình bày như sau: Xy lanh B Động cơ thủy lực Xy lanh A A Y5 P T A B E1 Y6 E2 P T Xy lanh A Chậm nh Nha Xy lanh B A B A B D1 Động cơ Y1 P T Y2 Y3 P T Y4 Y1 3.5 m/s Y2 Y3 P = 105 bar Y4 Đến động cơ 3.6 m/s Y 5 P = 140 bar Y6 P = 22 kW Y7 n = 1450 Y7 Cennitec CENNITEC www.themegallery.com