Đề tài thiết kế máy kéo nén thủy lực, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thiết kế máy kéo nén thủy lực CẢI TIẾN , thuyết minh thiết kế máy kéo nén thủy lực, động học máy thiết kế máy kéo nén thủy lực, kết cấu thiết kế máy kéo nén thủy lực, nguyên lý máy máy kéo nén thủy lực , cấu tạo máy máy kéo nén thủy lực

Kỹ thuật truyền động và điều khiển hệ thủy lực đã phát triển mạnh ở các nước công nghiệp. Kỹ thuật này được ứng dụng để truyền động cho những cơ cấu có công suất lớn, có thể thực hiện điều khiển logic cho các thiết bị tự động, đặc biệt nhờ khả năng truyền động được vô cấp mà nó được ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng và vị trí của cơ cấu chấp hành. Chính vì lẽ đó máy kéo nén thủy lực được thiết kế nhằm phục vụ cho việc kiểm tra cơ tính của vật liệu, đại đa số được thiết kế bằng truyền động thủy lực (do kết cấu nhỏ gọn, chuyển động êm, truyền tải lớn) một ứng dụng không thể thiếu trong lĩnh vực nghiên cứu sức bền vật liệu. Nhưng việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho thiết bị trên còn được ít ứng dụng trong thực tế ở các phòng thí nghiệm sức bền.

Sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu quá trình thí nghiệm cơ tính vật liệu cũng như tính năng làm việc của máy và được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Trần Xuân Tùy, về cơ bản em đã hoàn thành đề tài của mình. Tuy nhiên với khả năng và thời gian có hạn cũng như bản thân em còn ít kinh nghiệm, việc tiếp xúc thực tế chưa nhiều. Nên chắc rằng đồ án của em sẽ còn thiếu sót.

Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các Thầy giáo trong khoa để bổ sung thêm đồ án của em hoàn thiện hơn.

Đề tài thiết kế máy kéo nén thủy lực gồm các chương sau :

Chương 1 : Giới thiệu về yêu cầu kỹ thuật của việc kiểm tra cơ tính vật liệu

Chương 2 : Chọn phương án và thiết kế hệ thống thủy lực

Chương 3 : Tính toán sức bền và thiết kế cơ cấu máy

Chương 4 : Thiết kế hệ thống thực hiện chuyển động nâng hạ xà di động

Chương 5 : Thiết kế hệ thống điều khiển

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Trần Xuân Tùy cùng tất cả các Thầy giáo trong khoa Cơ khí đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình.

 

Đà Nẵng, ngày 4 tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiệ

Mục lục

Trang

Lời nói đầu                                                                                                                 1

 

Chương 1 : Giới thiệu về yêu cầu kỹ thuật của việc kiểm tra             4

cơ tính vật liệu

1.1. Các giả thuyết cơ bản về vật liệu biến dạng đàn hồi                                    4

1.1.1. Giả thuyết về tính liên tục, đồng nhất và đẳng h­ướng                                  4

của vật liệu

1.1.2. Giả thuyết về vật liệu có tính đàn hồi                                                                         4

1.2. Yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu                                        4

1.2.1. Mục đích của thí nghiệm                                                                             4

1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu                                       5

1.3. Các phương pháp thí nghiệm                                                                         5

1.3.1. Thí nghiệm kéo vật liệu dẻo                                                                         5

1.3.2. Thí nghiệm kéo vật liệu giòn                                                                       8

1.3.3. Thí nghiệm nén vật liệu dẻo                                                                         9

1.3.4. Thí nghiệm nén vật liệu giòn                                                                     10

 

Chương 2 : chọn ph­ương án và thiết kế hệ thống thủy lực                11

2.1. Phân tích và chọn phương án kết cấu máy kéo nén                                   11

2.1.1. Chọn số xilanh                                                                                           11

2.1.2. Chọn kết hệ khung xà của máy                                                                  11

2.1.3. Chọn kết cấu cho máy thiết kế                                                                   13

2.2. Xác định tính năng kỹ thuật và các tính toán thiết kế hệ thủy lực           13

2.2.1. Mô tả cấu tạo máy                                                                                      13

2.2.2. Nguyên lý hoạt động                                                                                  14

2.2.3. Các thông số kỹ thuật của máy                                                                  15

2.2.4. Các tính toán thiết kế hệ thuỷ lực                                                              16

2.2.4.1 Sơ đồ mạch thuỷ lực của máy                                                               16

2.2.4.2. Các tính toán cơ bản của hệ thủy lực                                                   17

2.2.4.3. Lựa chọn các phần tử thủy lực                                                             24

 

Chương 3 : tính toán sức bền và thiết kế cơ cấu máy                            40

3.1. Khung chịu lực chủ yếu của máy                                                                 40

3.1.1. Phân tích trạng thái chịu lực của hệ khung                                                40

3.1.2. Phương pháp tính toán                                                                               40

3.1.3. Tính toán cho hệ khung cố định                                                                 41

3.1.4. Tính toán cho hệ khung di động                                                                45

3.2. Tính toán thiết kế xilanh thủy lực                                                                48

3.2.1. Kết cấu tính toán                                                                                        48

3.2.2. Tính toán bề dày vỏ xilanh                                                                         48

3.2.3. Kiểm tra điều kiện bền và điều kiện ổn định của cần xilanh                     50

3.2.4. Tính toán mối ghép vít cấy để cố định mặt bích dưới vào vỏ xilanh         52

 

Chương 4 : Thiết kế hệ thống thực hiện chuyển động                           54

nâng hạ xà di động

4.1. Sơ đồ truyền động                                                                                          54

4.2. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu                                                                   54

4.3. Tính toán thiết kế                                                                                          55

4.3.1. Nhận xét ban đầu                                                                                       55

4.3.2. Tính toán sức bền cho bộ truyền vít me đai ốc                                          55

4.3.3. Động học truyền động của cơ cấu                                                              57

4.3.4. Thiết kế bộ truyền vít bánh vít                                                                   57

 

Chương 5 : Thiết kế hệ thống điều khiển                                                        62

5.1. Tổng quan về hệ điều khiển tự động                                                            62

5.1.1. Sơ đồ khối của một hệ điều khiển tự động                                                 62

5.1.2. Phân loại hệ điều khiển tự động                                                                 62

5.1.3. Các nguyên tắc điều khiển cơ bản                                                             63

5.1.4. Ph­ương pháp mô tả hệ thống điều khiển                                                    64

5.1.5. Các thiết bị th­ường dùng trong hệ điều khiển cơ khí                                 64

5.2. Thiết kế mạch điều khiển tự động                                                                65

5.2.1. Phương pháp đo đạc kết quả thí nghiệm                                                    65

5.2.2. Bài toán động lực học của hệ điều khiển                                                   65

chương 1 :

giới thiệu Về YÊU CầU Kỹ THUậT

CủA VIệC KIểM TRA CƠ TíNH VậT LIệU

1.1. các giả thuyết cơ bản về vật liệu biến dạng đàn hồi 

1.1.1.  Giả thuyết về tính liên tục, đồng nhất, đẳng hướng của vật liệu

      Khi nghiên cứu các bài toán “Sức bền vật liệu” ta có các giả thiết là vật liệu mang tính chất liên tục, đồng nhất và đẳng hướng, tức là những biểu thức tính toán lập trong vật thể là liên tục và tính chất cơ lý của vật liệu tại mọi điểm là như nhau.

     Trên thực tế không có một thứ vật liệu nào tuân thủ đầy đủ các giả thuyết trên. Tuy nhiên với độ chính xác mà kỹ thuật cho phép, đối với một số vật liệu như kim loại, hợp kim thì có thể sử dụng những giả thuyết trên để giải quyết các bài toán sức bền .

     Những loại vật liệu như gỗ, tre và vật liệu tổng hợp từ công nghệ hoá dầu... có những tính chất khác xa với ngững giả thuyết trên, đặc biệt là không có tính chất đẳng hướng, tính chất có lý theo các phương khác nhau gọi là vật liệu dị hướng. 

1.1.2. Giả thuyết về vật liệu có tính đàn hồi

     Dưới tác dụng của ngoại lực mọi vật rắn đều bị biến dạng nghĩa là có sự biến đổi về hình dáng và kích thước. Sau khi ngoại lực không còn nữa thì vật thể có thể trở lại hình dáng kích thước cũ hay không thể trở lại hình dáng ban đầu. Có thể hiểu rằng nếu ngoại lực chưa đủ lớn (nằm trong một giới hạn nào đó) thì sau khi ngoại lực thôi tác dụng vật thể có thể phục hồi lại hình dáng, kích thước như lúc chưa có ngoại lực tác dụng, tính chất này của vật liệu đó chính là tính đàn hồi của vật liệu. Thực tế khó tồn tại một loại vật liệu nào mang tính đàn hồi tuyệt đối. Cũng dễ nhận ra rằng nếu ngoại lực vượt quá một giới hạn nào đó thì sau khi bỏ tác dụng của ngoại lực thì vật thể chỉ phục hồi một phần biến dạng, phần biến dạng không thể phục hồi lại được gọi là biến dạng dẻo. 

     Một vật thể nếu làm bằng vật liệu có tính đàn hồi tuyệt đối thì quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng là bậc nhất. Quan hệ đó được biểu diễn bằng định luật “Húc”. Bằng thực nghiệm người ta đã chứng tỏ rằng: Khi ngoại lực vượt qua một giới hạn nào đó thì vật thể không còn tính đàn hồi tuyệt đối nữa, lúc này quan hệ giữa lực tác và biến dạng không còn tuân theo định luật “Húc” nữa, quan hệ này trở nên phi tuyến. 

1.2. yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu

1.2.1. Mục đích của thí nghiệm

     Một trong những vấn đề quan trọng cần giải quyết trong môn học “Sức bền vật liệu” là bài toán kiểm tra bền của chi tiết máy hay kết cấu công trình...

     Để giải quyết điều này ta cần phải biết giá trị chịu lực tới hạn của vật liệu hay nói cách khác đó là giá trị chịu lực cho phép của từng loại vật liệu. Trong giáo trình “Sức bền vật liệu” giá trị này được đại diện bằng giá trị ứng suất cho phép. Tuỳ theo trạng thái chịu lực của kết cấu mà ta có giá trị ứng suất cho phép khác nhau, chẳng hạn như  ứng suất cho phép khi kéo, ứng suất cho phép khi nén...

     Ngoài ra căn cứ váo hình dạng của mẫu thí nghiệm ta có thể chia vật liệu ra làm hai loại :

     + Vật liệu dẻo : Vật liệu bị phá hoại sau khi biến dạng đủ lớn, ví dụ như thép, đồng, nhôm,...

+ Vật liệu dòn : vật liệu bị phá hoại ngay khi biến dạng còn rất bé, ví dụ

như gang, đá, bêtông...

1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu

Các loại mẫu thử dùng cho thí nghiệm đều được tiểu chuẩn hoá theo các tiêu chuẩn quy định của từng ngành, của nhà nước. Đối với từng phương pháp thí nghiệm sẽ có những yêu cầu kỹ thuật về mẫu thử  khác nhau.

     Tính chất của tải trọng dùng trong thí nghiệm mang tính chất của tải trọng tĩnh nghĩa là giá trị tải trọng tăng dần từ giá trị không cho đến giá trị nào đó.

     Điều này làm cho quá trình biến dạng của mẫu thí nghiệm không sinh ra gia tốc đáng kể khi mẫu chịu tác dụng của tải trọng thí nghiệm. Sỡ dĩ phải có yêu cầu này là vì cần phân biệt nó với giá trị tải trọng động ( Tải trọng động là tải trọng mà độ lớn và vị trị của nó thay đổi trong một khoảng thời gian rất ngắn hay nói cách khác là tải trọng gây ra gia tốc đáng kể )

          Các hiện tưọng xảy ra trong thí nghiệm cũng như kết quả có được phải dựa trên nền tảng của những giả thuyết của môn học “Sức bền vật liệu” đã nêu ở phần trên.

1.3. các phương pháp thí nghiệm

1.3.1. Thí nghiệm kéo vật liệu dẻo  

  a) Mẫu thí nghiệm :

Hình 1.1. Mẫu thí nghiệm kéo

Vật liệu mẫu : thường là thép

Mẫu thử nghiệm có đường kính d₀ ,chiều dài l_0.

Trong đó :              +) d₀ =(3¸25) mm.

                                   +) l₀ =(5¸10) d₀

     Hai đầu mẫu thử kẹp vào máy thí nghiệm có đường kính lớn hơn đường kính của mẫu ở đoạn l₀.

     Bề mặt mẫu thử được đánh nhẵn bóng để dễ dàng quan sát hiện tượng biến dạng trong quá trình thí nghiệm.

 b) Tiến hành thí nghiệm :

     Sau khi cặp mẫu thử vào máy thí nghiệm ta tăng dần lực kéo từ giá trị không cho đến một giá trị nào đó mà tại thời điểm này mẫu thử bị kéo đứt. Thông qua hệ thống đo (ghi) kết quả của máy, ta có biểu đồ quan hệ giưa tải trọng (P) và độ biến dạng dài tuyệt đối (Dl).

c) Phân tích đánh giá biểu đồ quan hệ P-Dl: (hình 1.2)

  Căn cứ vào biểu đồ quan hệ  P-Dl ta chia quá trình chịu lực của vật liệu ra  làm ba giai đoạn chịu lực :

     +) Giai đoạn đàn hồi : Được biểu diễn bằng đoạn thẳng OA trên đồ thị.

     Quan hệ giữa tải trọng P và độ biến dạng dài tuyệt đối Dl là bậc nhất nghĩa là trong giai đoạn này vật liệu làm việc tuân theo định luật “Húc”. Nếu gọi là P_tl là lực kéo lớn nhất trong giai đoạn này và F₀ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của đoạn mẫu thí nghiệm thì ta có giới hạn tỉ lệ s_tl :

                                                         s_tl =                                                         (1.1)

     +) Giai đoạn chảy : tương quan giữa P và Dl là một đường nằm ngang.

     Đây là đặc trưng cơ học quan trọng của vật liệu. Trong giai đoạn này lực kéo không tăng nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng. Trị số lực kéo ứng với giai đoạn này kí hiệu là P_ch và ta có định nghĩa giới hạn chảy s_ch :

                           s_ch=                                                      (1.2)

     +) Giai đoạn cũng cố : Sau giai đoạn chảy vật liệu bị biến cứng (sở dĩ vật liệu bị biến cứng là do quá trình biến dạng mạnh ở giai đoạn chảy gây ra xô lệch mạnh trong mạng tinh thể kim loại ). Vì vậy trong giai đoạn này lực kéo có tăng biến dạng mới tăng. Tương quan giữa P-Dl là một đường cong, lực cao nhất trong giai đoạn này kí hiệu là P_b và ứng với P_b ta có giới hạn bền

                                                       s_b =                                                                (1.3)         

Hình 1.2. Biểu đồ quan hệ P-Dl

     Ba giới hạn s_tl, s_ch ,s_b là các đặc trưng về cơ tính của vật liệu. Quan sát quá trình biến dạng của mẫu trong suốt thí nghiệm từ khi tăng tải ở giá trị không cho đến giá trị P_b, ta nhận thấy tất cả các mặt cắt ngang trên suốt chiều dài thí nghiệm đều bị thu hẹp như nhau, điều này chứng tỏ rằng ở mọi điểm vật liệu đều làm việc như nhau. Khi lực kéo đạt đến giá trị P_b thì tại một nơi nào đó trên mẫu xuất hiện một chỗ thắt lại, biến dạng ở vùng này tăng nhanh hơn ở những vùng khác và mẫu bị kéo đứt tại nơi này.

Nếu bề mặt mẫu được đánh bóng thì trong giai đoạn chảy của vật liệu ta dễ dàng nhất hiện ra những đường cong nghiêng làm với trục thanh một góc 45⁰ ta gọi đó là những đường Chét nốp, những đường này chứng tỏ sự trượt các tinh thể trong giai đoạn chảy của vật liệu (Hình 1.3).

Hình 1.3. Hình dạng kéo mẫu khi bị đứt

     Gọi chiều dài mẫu sau khi kéo đứt là l₁ và diện tích mặt cắt ngang tại chỗ thắt đứt là F₁ ta có các định nghĩa sau :

+) Độ biến dạng dài tỉ đối  (tính theo phần trăm) :

                                            d = 100%                                                            (1.4)

+) Độ thắt tỉ đối  (tính theo phần trăm):

                                             Y = 100%                                           (1.5)

     Các thông số d, Y đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu. Vật liệu càng dẻo thì trị số d, Y càng lớn.

Nếu xem diện tích mặt cắt ngang của mẫu không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm thì ứng suất pháp trên mặt cắt ngang s  đuợc tính :

         s=                                                               (1.6)

     ứng suất này không phải là ứng suất thực mà chỉ là ứng suất qui ước, vì trong suốt quá trình mẫu bị kéo diện tích mặt cắt ngang của mẫu giảm dần. Biểu đồ quan hệ giữa lực P và biến dạng dài tuyệt đối Dl không cho ta thấy trực tiếp các đặc trưng cơ học của vật liệu. Vì vậy cần vẽ biểu đồ quan hệ giữa ứng suất s và biến dạng dài tỉ đối e.

Nếu ta chú ý rằng s =  và  e =  thì ta có thể chuyển biểu đồ quan hệ (P-Dl) sang biểu đồ quan hệ (s -e ) bằng cách chia tung độ của biểu đồ ( P -Dl ) cho F₀ và hoành độ cho l­₀.

     Các giá trị P_tl, P_ch, P_b biểu đồ ( P -Dl )  sẽ tương ứng với các giá trị s_tl , s_ch ,s_b trên biểu đồ (s -e ).

Độ dốc của phần đường thẳng OA trên biểu đồ (s -e ) chính là môđuyn đàn hồi của vật liệu E.  Thật vậy : tga = E

Nếu kể đến sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang của mẫu trong quá trình thí nghiệm. ta sẽ có quan hệ giữa s, e được biểu diễn bằng đường nét đứt trên đồ thị quan hệ (s -e )

Hình 1.4. Biểu đồ quan hệ s-e

1.3.2. Thí nghiệm kéo vật liệu giòn

   a) Mẫu thí nghiệm :

Vật liệu dùng làm mẫu : thường là gang.

Quy định về hình dáng và kích thước giống với yêu cầu về hình dáng và kích thước của mẫu trong thí nghiệm kéo vật liệu dẻo.

 b) Tiến hành thí nghiệm :

Tiến hành giống với thí nghiệm kéo vật liệu dẻo.

 c) Phân tích đánh giá biểu đồ P-D l : (hình 1.5)

Biểu đồ quan hệ ( P -Dl )  là một đường cong ngay khi lực kéo có giá trị rất thấp. Dựa vào biểu đồ ta có nhận xét : vật liệu giòn không có giới hạn tỉ lệ s_tl mà chỉ có giới hạn bền (s_b^k)

                 (s_b^k) =                                                               (1.7)

     Giới hạn bền kéo (s_b^k) của vật liệu giòn rất thấp so với giới hạn bền kéo của vật liệu dẻo (s_b). Biến dạng của mẫu khi bị phá hoại thường rất bé. Chẳng hạn như độ biến dạng dài tỉ đối của mẫu khi bị kéo đứt không quá 0,015%.

     Tuy vật liệu giòn không có giai đoạn đàn hồi ( tỉ lệ ) nhưng cũng có thể quy ước một giới hạn đàn hồi nào đó. Nếu xem rằng nếu ứng suất trong thanh chưa vượt qua giới hạn kéo cho phép của mẩu thử thì quan hệ P -Dl là quan hệ bậc nhất (quan hệ này được biểu diễn bằng đường thẳng ).

Hình 1.5. Biểu đồ quan hệ R-Dl

1.3.3. Thí nghiệm nén vật liệu dẻo

a) Yêu cầu kỹ thuật ban đầu của mẫu:

Vật liệu mẫu : thường là thép

Mẫu thí nghiệm thường có dạng trụ tròn, chiều cao h không được lớn hơn hai lần đường kính d để tránh hiện tượng mẫu bị cong khi nén.

 b) Tiến hành thí nghiệm :

      Đặt mẫu thí nghiệm vào chính giữa hai mân giá kim loại của máy. Tăng tải từ từ cho đến giá trị nào đó, quan sát hiện tượng xảy ra.

c) Phân tích đánh giá biểu đồ ( P-D l ) hay biểu đồ (s -e ): (hình 1.6)

     Qua biểu đồ (s -e )  ta thấy quá trình chịu nén cũng được chia ra làm ba giai đoạn : giai đoạn đàn hồi(OA). giai đoạn chảy và giai đoạn cũng cố. Nhưng ta chỉ xác định được hai giới hạn, đó là : giới hạn tỉ lệ s_tl và giới hạn chảy s_ch còn giới hạn bền s_b không thể xác định được vì càng nén diện tích mặt cắt ngang của mẫu càng tăng. Điều này làm cho khả năng chịu lực của mẫu được tăng cường. Do có ma sát giữa bề mặt mẫu và bề mặt của mâm gá thí nghiệm nên mẫu bị biến dạng theo hình trống (hình 1.7) .    

Hình 1.6. Biểu đồ quan hệ s-e

Hình 1.7. Hình dạng mẫu thí nghiệm nén trước và sau khi chịu tác dụng lực

1.3.4. Thí nghiệm nén vật liệu giòn

  a) Yêu cầu kỹ thuật ban đầu của mẫu

Vật liệu dùng làm mẫu : thường là gang.

Yêu cầu về hình dạng và kích thước của mẫu giống với yêu cầu trong thí nghiệm nén vật liệu dẻo.

b) Tiến hành thí nghiệm :

     Các bước tiến hành giống với thí nghiệm nén vật liệu dẻo

  c) Phân tích đánh giá biểu đồ P -D l :(hình 1.8)

     Dựa vào biểu đồ quan hệ P -Dl ta có nhận xét :

+) Vật liệu giòn khi chịu kéo cũng như khi chịu nén đều bị biến dạng còn rất bé.

      +) Giới hạn bền nén được biễu diễn theo công thức :        s_bⁿ =                 (1.8)

Giới hạn bền nén của vật liệu giòn lớn hơn rất nhiều lần so vơi giới hạn bền kéo nén của nó. Ví dụ : Gang xám có giới hạn bền kéo s_b^k_­­  =250MN/m², giới hạn bền nén s_bⁿ =1000MN/m².

Hình 1.8. Biểu đồ quan hệ P-Dl

CHƯƠNG 2 :

Chọn phương án và thiết kế hệ thống thuỷ lực

2.1. PHÂN tích và CHọN PHƯƠNG áN kết CấU MáY KéO NéN

     Máy thí nghiệm kéo nén thủy lực thử cơ tính vật liệu có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau. Để đảm bảo yêu cầu kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản ta cần phân tích để chọn lựa phương án kết cấu máy hợp lý nhất.

2.1.1. Chọn số xilanh

     Để đảm bảo giá trị tải trọng theo yêu cầu của thí nghiệm thì ta có thể dùng một xilanh hay nhiều xilanh có đường kính khác nhau.

     Nếu dùng một xilanh thì việc thiết kế hệ thống thủy lực sẽ đơn giản, nhưng lúc này kích thước xilanh sẽ lớn.

Ngược lại nếu dùng nhiều xilanh thì kích thước của mỗi xilanh sẽ nhỏ gọn nhưng việc chọn phương án bố trí nhiều xilanh có nhiều nhược điểm.

Bố trí kết cấu máy : Khi dùng nhiều xilanh thì kết cấu máy phức tạp, điều kiện lắp ráp cũng như việc gia công những chi tiết đòi hỏi phải chính xác, vì vậy giá thành của máy cao hơn.

     Từ những yếu tố phân tích trên ta lựa chọn phương án chỉ dùng một xilanh cho máy thiết kế.

2.1.2. Chọn kết cấu hệ khung xà của máy

     Hiện nay máy thí nghiệm kéo nén thủy lực nhiều dạng kết cấu khác nhau, ứng    với mỗi dạng đều có ưu, nhược điểm. ở đây ta chỉ đưa ra hai loại mô hình kết cấu máy điển hình để so sánh. Từ đó lựa chọn phương án thích hợp cho máy thiết kế.

 1. Kết cấu chỉ dùng một hệ khung chịu lực và một xà ngang cố định

     Với phương án này kết cấu của máy chỉ dùng một hệ khung (có thể là hai hay bốn trụ chịu lực) và một xà ngang cố định. Tại tâm của xà ngang người ta đặt pittông thuỷ lực tạo trọng dùng cho thí nghiệm.

     Nhìn vào kết cấu máy như hình 2.1a ta nhận thấy :

          Kết cấu khung chịu lực và xà ngang được đơn giản bớt do đó khối lượng vật liệu dùng để chế tạo và khối lượng máy giảm xuống đáng kể.

     Tận dụng được không gian sử dụng máy vì chỉ dùng một không gian cho cả hai loại thí nghiệm kéo và nén.

  Tuy nhiên với phương án này thì hướng tác động công tác của xilanh thủy lực phải được thực hiện từ hai phía, nghĩa là : hướng tác động từ dưới lên trên sẽ dành cho thí nghiệm kéo, ngược lại hướng tác động từ trên xuống dưới sẽ dành cho thí nghiệm nén. Vì vậy cần pittông của xilanh thủy lực sẽ chịu tác động của hai tải trọng kéo và nén, do đó kích thước cần pittông phải đủ lớn để đảm bảo yêu cầu ổn định khi thực hiện thí nghiệm nén. Ngoài ra hành trình pittông phải dài để đảm bảo có thể tiến hành được thí nghiệm kéo với các loại mẫu có chiều dài khác nhau.

Xét về mặt thiết kế hệ thống thủy lực cho máy sẽ phức tạp, vấn đề điều chỉnh vận tốc thí nghiệm cũng khó khăn. Điều này thể hiện ở mấy điểm sau đây :

Nếu bơm có áp suất và lưu lượng không đổi thì tải trọng tạo ra ở thí nghiệm nén sẽ lớn hơn tải trọng tạo ra ở thí nghiệm kéo. Điều này cũng dễ nhận ra rằng : buồng phía trên của xilanh thủy lực là buồng không mang cần do đó diện tích tác động của áp suất dầu sẽ lớn hơn

buồng phía dưới (buồng mang cần). Vì vậy tải trọng tạo ra của xilanh sẽ không đều nhau cho thí nghiệm kéo và thí nghiệm nén. Ngoài ra việc thiết kế mạch điều khiển vận tốc cho từng loại thí nghiệm sẽ phức tạp vì lúc này phải thiết kế hệ thống điều khiển vận tốc cho từng hướng tác động riêng biệt.

     Nếu chọn bơm có thể thay đổi áp suất và lưu lượng (để có thể tạo ra giá trị tải trọng bằng nhau cho hai loại thí nghiệm kéo và thí nghiệm nén) thì sẽ làm cho các thiết bị thủy lực trở nên phức tạp, giá thành cao.

 2. Kết cấu dùng hai hệ khung (một hệ khung cố định và một hệ khung di động)

     (hình 2.1b)

     Với phương án kết cấu này máy gồm hai hệ khung (một hệ khung cố định và một hệ khung di động) cũng như phương án trên xilanh tải trọng được đặt tại tâm xà ngang của hệ khung cố định.

Hướng tác động công tác của xilanh tải trọng chỉ thực hiện từ một phía từ dưới lên trên, hướng ngược lại sẽ là hướng chạy không. Như vậy giá trị tải trọng tạo ra của xilanh thủy lực sẽ là như nhau cho hai loại thí nghiệm kéo và nén.

     Nhược điểm chủ yếu của phương án này là kết cấu khung xà sẽ trở nên phức tạp, trọng lượng của toàn máy sẽ tăng lên.

     Nhưng ngược lại đối với phương án này vấn đề thiết kế hệ thống thủy lực cho máy được dễ dàng. Nguồn cung cấp năng lượng thủy lực cho máy không cần là nguồn có áp suất và lưu lượng thay đổi.

     Ngoài ra thiết kế hệ thống điều khiển vận tốc thí nghiệm được dễ dàng vì việc thiết kế mạch điều khiển chỉ xét cho một hướng tác động của xilanh.

  So sánh hai phương án trên ta chọn lựa phương án máy thiết kế có hai hệ khung.

 3. Phương án chọn số lượng trụ dẫn hướng của hệ khung di động

  a) Phương án dùng hai trụ trượt của hệ khung di động .

     Với phương án này hệ khung di động sẽ bị khống chế năm bậc tự do mà không xảy ra trường hợp siêu định vị. Như vậy kết cấu máy sẽ đơn giản, việc dẫn hướng cho hai trụ được dễ dàng vì yêu cầu độ song song và độ vuông góc giữa hai trụ không cần chính xác cao.

b) Phương án dùng bốn trụ trượt của hệ khung di động.

     Với phương án này hệ khung di động sẽ bị khống chế năm bậc tự do, nhưng sẽ xảy ra trường hợp siêu định vị. Như vậy kết cấu máy sẽ phức tạp, việc gá đặt bốn trụ trượt yêu cầu phải được chính xác cao về độ song song và độ vuông góc.

 4. Phương án chọn số lượng trụ chịu lực của hệ khung cố định

  a) Phương án dùng 2 trụ :

     Với phương án này tải trọng sẽ tác động đều lên hai trụ. Khối lượng máy được giảm nhẹ. Trong trường hợp này độ cứng vững của hệ khung chịu lực sẽ bị giảm khi chịu tác động của tải trọng. Tuy nhiên để khắc phục nhược điểm này bằng cách tăng đường kính các trụ chịu lực.

b) Phương án dùng 4 trụ :

     Với phương án này mức độ tác động đông đều của tải trọng lên bốn trụ sẽ không cao, để đảm bảo trạng thái chịu lực đồng đều của bốn trụ thì mức độ chế tạo phải chính xác cao. Trong trường hợp này độ cứng vững của hệ khung chịu lực sẽ được tăng lên.

2.1.3. Chọn kết cấu cho máy thiết kế

     Qua những chỉ tiêu đánh giá của từng phương án ta chọn kết cấu máy thiết kế như sau :

Hệ khung cố định (gồm hai trụ chịu lực và một xà ngang).

Hệ khung di động dùng hai trụ dẫn hướng.

Xilanh tải trọng chỉ tác động một phía cho cả hai loại thí nghiệm kéo và nén.

Hình 2.1. Các phương án bố trí kết cấu khung chịu lực

1. Xilanh
2. Xà ngang
3. Trụ chịu lực
4. Đầu kẹp mẫu
5. Đế máy
6. Xà di động
7. Xà ngang dưới của hệ khung di động
8. Xà ngang trên của hệ khung di động  

2.2. xác định tính năng kỹ thuật và các tính toán

                              thiết kế hệ thủy lực

2.2.1. Mô tả cấu tạo máy

     Mô hình này được thiết kế gồm  các phần chủ yếu :

 1. Hệ khung di động

     Hệ khung di động gồm hai trụ dẫn hướng (2) gắn cố định với xà ngang trên (1) và xà ngang dưới (3). Tại tâm của xà ngang trên thuộc hệ khung di động có gắn cần pittông của xilanh thuỷ lực.

     Xà ngang có kết cấu dạng hộp có gân tăng cứng bên trong. Chiều cao của xà ngang thường lấy bằng (2,5¸3,5) lần đường kính của cột gắn vào nó. Xà ngang trên được chế tạo theo kiểu đúc hay theo kiểu kết cấu thép hàn.

      Trụ của hệ khung di động ngoài tác dụng liên kết xà ngang trên và xà ngang dưới thành một hệ khung cứng vững nó còn có tác dụng dẫn hướng cho cả hệ khung di động.

  2. Hệ khung cố định

     Hệ khung cố định gồm có hai trụ chịu lực (6 ) gắn cố định với xà ngang (7 ) ở phần trên và gắn với đế (5) ở phần dưới của nó.

Xà ngang của hệ khung cố định có gắn bạc để dẫn hướng cho trụ của hệ di động.

Giống như xà ngang của hệ khung di động, xà ngang của hệ khung cố định cũng có kết cấu dạng hộp có gân tăng cứng bên trong và được chế tạo theo kiểu liền khối bằng phương pháp đúc hay theo kiểu lắp ghép bằng phương pháp hàn.

 3. Xilanh thủy lực

     Xilanh thủy lực đặt tại tâm xà ngang của hệ khung cố định. Hướng tác động công tác được thực hiện từ dưới lên trên. Cần của pittông được nối với xà ngang trên (1) của hệ khung di động.

  4. Đế máy

     Đế máy thường được chế tạo bằng phương pháp đúc liền khối, hoặc  được chế tạo bằng kết cấu thép hàn.

     Trên đế máy có bố trí những lỗ để cố định trụ chịu lực của hệ khung cố định. Ngoài ra trên đế máy còn được bố trí những kết cấu truyền động để thực hiện chuyển động lên xuống của xà ngang di động (4).

  5. Xà ngang di động

     Xà ngang di động có thể chuyển động lên xuống dọc theo trụ chịu lực của hệ khung cố định. Thực hiện chuyển động này thông qua bộ truyền vít me đai ốc, trong đó vít me bắt cố định với xà ngang di động còn đai ốc quay đẩy vít me tịnh tiến.

     Xà ngang di động (4) khi chuyển động thì nó được dẫn hướng bởi hai trụ chịu lực (6) của hệ khung cố định.

2.2.2. Nguyên lý hoạt động

      Dưới tác dụng của áp suất dầu trong xilanh thủy lực (8), pittông mang cần chuyển động đi lên. Vì cần của pittông gắn cố định với xà ngang trên của khung di động nên khi nó chuyển động thì mang cả hệ khung di động chuyển động theo. Nhờ đó ta có thể tiến hành thí nghiệm kéo hay thí nghiệm nén vật liệu. Với kết cấu máy như vừa nêu trong mục (3.1) thì ta nhận thấy máy thí nghiệm có hai không gian riêng biệt dành cho hai loại thí nghiệm.

     Không gian phía trên : (không gian giới hạn bởi xà ngang (7) của hệ khung cố định và xà ngang dưới (3) của hệ khung di động). Không gian này dùng cho thí nghiệm nén vật liệu. Nếu bề mặt trên của xà ngang dưới (3) có thiết kế thêm đồ gá dùng cho thí nghiệm uốn thì ta cũng có thể thực hiện được thí nghiệm  uốn.

     Không gian phía dưới : (không gian giới hạn bởi xà ngang dưới (3) của hệ khung di động và xà ngang di động (4). Không gian này dùng cho thí nghiệm kéo vật liệu. Khoảng cách hai xà ngang có thể thay đổi được để thực hiện thí nghiệm với các loại mẫu có chiều dài khác nhau. 

2.2.3. Các thông số kỹ thuật của máy

 1. Thông số hình học cố định

Khoảng cách giữa hai cột của hệ khung cố định  : 965(mm)

Khoảng cách giữa hai cột của hệ khung di động : 500(mm)

Chiều cao cột của hệ khung cố định                     : 2000(mm)

 2. Thông số hình học thay đổi được

Hành trình pittông tạo tải trọng : 300(mm)

Khoảng cách giữa hai mâm gá dùng trong thí nghiệm nén : 0¸350(mm)

Hành trình di động của xà ngang di động : 300(mm)

 3. Thông số về vận tốc và tải trọng tác dụng

Tải trọng lớn nhất dùng cho thí nghiệm kéo : 1000(kN)

Tải trọng lớn nhất dùng cho thí nghiệm nén : 1000(kN)

Vận tốc chuyển động của pittông trong hành trình công tác :

                                V_min ¸ V_max = (1 ¸320) mm/ph

Hình 2.2. Kết cấu hệ khung của máy

                        1. Xà ngang trên của hệ khung di động

 2. Trụ dẫn hướng

 3. Xà ngang dưới của hệ khung di động

 4. Xà di động

 5. Đế máy

 6. Trụ chịu lực của hệ khung cố định

 7. Xà ngang của hệ khung cố định

             8. Xilanh thủy lực

2.2.4. Các tính toán thiết kế  hệ thủy lực

2.2.4.1. Sơ đồ mạch thủy lực của máy

Hình 2.3a. Sơ đồ mạch thủy lực

1. Xilanh tải trọng
2. Van servo
3. Đồng hồ đo áp suất
4. Van cản
5. Bơm dầu
6. Bể dầu
7. Lọc dầu
8. Van an toàn
9. ắc qui thủy lực
10.  Lọc cao áp

Hình 2.3b. Sơ đồnguyên lý hệ thủy lực

2.2.4.2. Các tính toán cơ bản của hệ thuỷ lực

    Xác định tải trọng tác động lên cơ cấu chấp hành. Từ đó tính toán các thông số của xilanh. Lựa chọn các thông số của bơm về áp suất, lưu lượng và công suất.Lựa chọn các phần tử thủy lực phù hợp với  hệ thống. Tính các tổn thất về áp suất, lưu lượng trong hệ thống.

 1. Phương trình cân bằng lực của cụm xilanh tạo tải trọng

..........................................................

b. Nguyên lý hoạt động

 ở điều kiện cân bằng (chưa có tác dụng của dòng điện điều khiển) nòng van đứng ở vị trí trung gian, vì lúc này áp suất ở buồng (a) cân bằng với áp suất ở buồng (b),

p_a = p_b

Khi có dòng điện điều khiển cuộn dây của nam châm dưới tác dụng của lực từ, càng điều khiển sẻ xoay quanh O, điều này làm thay đổi tiết diện chảy tại miệng vòi phun (A) và (B). Do đó áp suất ở buồng (a) không cân bằng với áp suất ở buồng (b) độ chênh áp này sẻ đẩy nòng van dịch chuyển sang trái hay sang phải tuỳ thuộc vào tương quan giá trị áp suất ở hai buồng (a) và (b).

Xét trường hợp càng điều khiển xoay theo chiều ngược kim đồng hồ, lúc này tiết diện chảy tại miệng vòi phun ( B) sẻ nhỏ hơn tiết diện chảy tại miệng vòi phun (A), do đó áp suất ở buồng (b) sẻ lớn hơn ở buồng (a). Độ chênh lệch áp suất này sẻ đẩy nòng van dịch chuyển từ phải sang trái để cho cửa C thông với nguồn dầu cửa D thông với đường xả dầu về bể .

Xét trường hợp càng điều khiển xoay theo chiều cùng chiều kim đồng hồ bằng cách lý luận như trường hợp càng điều khiển xoay theo chiều ngược kim đồng hồ, ta đưa ra kết luận là: nòng van sẻ dịch chuyển từ trái sang phải để cho cửa C thông với đường xả dầu về bể, cửa D thông với nguồn cung cấp dầu từ bơm.

Đoạn dịch chuyển nòng van sẻ quyết định tiết diện lưu thông dầu tại các cửa van. Vì vậy có thể thực hiện điều khiển lưu lượng cung cấp cho xilanh thủy lực. Giá trị đoạn đường dịch chuyển nòng van phụ thuộc vào độ lớn của hiệu áp suất giữa hai buồng (a) và (b). Vì vậy bằng cách thay đổi các giá trị khác nhau của cường độ dòng điện điều khiển cuộn dây nam châm, lúc đó sẻ có những góc xoay khác nhau của càng điều khiển, thông qua sự thay đổi góc xoay của càng điều khiển sẻ gây nên những giá trị hiệu áp khác nhau giữa hai buồng (a) và (b).

Tóm lại nhờ vào việc điều khiển dòng điện của cuộn dây của nam châm của van servo mà từ đó có thể điều khiển lưu lượng dòng dầu chảy qua van.

 6. Chọn lọc dầu cho hệ thống

Độ bẩn của dầu có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc, độ bền và tuổi thọ của thiết bị. Sự bẩn của dầu làm tăng ma sát, cản trở chuyển động giữa các chi tiết có chuyển động tương đối trong các thiết bị thủy lực.

Trên cơ sở thí nghiệm và thực tế có thể đưa ra các tác hại của độ bẩn của dầu như sau :

Hạt bẩn có kích thước bằng hoặc lớn hơn khe hở của các bề mặt tiếp xúc trong các thiết bị thủy lực sẻ làm tăng lực cần thiết để dịch chuyển các phần tử có chuyển động tương đối với nhau.

Đối với các loại bơm, tuổi thọ giảm đi tỷ lệ với sự tăng kích thước và nồng độ các hạt bẩn.

Độ cứng các hạt bẩn trong chất lỏng càng lớn, càng nhanh chóng mài mòn các bề mặt tiếp xúc của các thiết bị thủy lực.

Qua các kết luận trên ta thấy rằng: muốn tăng tuổi thọ các thiết bị thủy lực và giảm chi phí trong quá trình sử dụng máy có truyền dẫn thủy lực thì cách tốt nhất là sử dụng thiết bị lọc dầu cho hệ thống.

ở máy thiết kế ta chọn hai loại lọc :

    - Lọc thô (đặt ở đường hút của bơm)

    - Lọc tinh (đặt ở đường đẩy của bơm)

a. Lọc thô 

Lọc thô đặt ở đường hút bơm, thông thường ta dùng bộ lọc lưới

  -  Cấu tạo lọc lưới :

Hình 2.13. cấu tạo lọc lưới

1. ống hút của bơm
2. Khung cứng bằng thép
3. Lưới lọc

- Các thông số của bộ lọc lưới :

Tổn thất áp suất thường lấy Dp = 0,3 ¸ 0,5 bar, trường hợp đặc biệt có Thể lấy

Dp = 1 ¸ 2 bar.

Lưới làm bộ lọc có số lỗ 17.000 lỗ/cm²

b. Lọc tinh

 Lọc tinh đặt trên đường đẩy của bơm nên còn gọi là lọc cao áp. Quá trình tinh lọc chủ yếu được thực hiện nhờ các lỗ xốp của vật liệu lọc. Các phần tử lọc thường được chế tạo từ các vật liệu xơ, xốp, hạt bột, giấy, gốm kim loại...

Các phần tử lọc được chế tại bằng cách cho vào khuôn kim loại vật liệu chế tạo, sau đó tẩm chất kết dính và nung đến khi vật liệu được định hình  vững chắc theo mẫu cần thiết.

ở đây ta chọn bộ lọc tinh có phần tử lọc là vật liệu gốm- kim loại của hãng Parker với kiểu :

        Model number : 15P103BM250MM.

        Serial no : 29RP.

áp suất vận hành tối đa cho phép : 207(bar).

Sở dĩ phải đặt lọc cao áp trên đường ống trước khi dầu có áp suất cao vào van Servo vì Servo van là phần tử điều khiển thuỷ lực có độ chính xác rất cao do đó dầu phải được làm sạch đến mức tối đa để loại trừ khả năng ảnh hưởng đến độ chính xác làm việc cũng như việc làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

- Cấu tạo :

 

Hình 2.14. Cấu tạo lọc tinh

 - Nguyên lý làm việc :  

Dầu từ bơm sẽ chảy vào lọc ở cửa vào, nhờ các lỗ xốp trên của phần tử lọc, các hạt chất bẩn sẽ được giữ lại, dầu sạch tiếp tụch đi đến cửa ra và cung cấp vào hệ thống. Sau một thời gian, tháo vít để đưa chất bẩn ra ngoài.

 7. Tính toán ống dẫn dầu

a. Yêu cầu đối với ống dẫn

ống dẫn cần phải có đủ độ bền và đảm bảo tổn thất áp suất là nhỏ nhất. Để giảm tổn thất áp suất thì ống dẫn phải có các yêu cầu sau :

Chiều dài ống càng ngắn càng tốt.

Tránh sự biến dạng của tiết diện ống dẫn trong suốt quá trình làm việc.

ống dẫn có hình dạng sao cho hướng chuyển động của dòng dầu ít thay đổi. Nếu cần thiết đổi hướng thì phải thay đổi từ từ.

b. Xác định đường kính trong của ống dẫn

Xuất phát từ phương trình lưu lượng chảy qua ống :

                        Q=                                                                              (2-28)

Trong đó :

                   Q : Lượng chảy qua ống (lít/ phút)

                   d : Đường kính trong của ống (mm)

                   v : Vận tốc dầu chảy qua ống (m/s)

Biểu thức (3-28) tương đương với :

Đối với ống nén, vận tốc dòng dầu V=(3¸5 m/s). Chọn V=4(m/s)

Vậy đường kính ống nén : d = 4,6= 9,84(mm)

Đối với ống hút,vận tốc dòng dầu V= (1,5¸2 m/s). Chọn V= 1,8 (m/s)

Vậy đường kính ống hút : d = 4,6= 15(mm)

c. Tính ống dẫn theo sức bền tĩnh

Tính toán ống dẫn dầu theo sức bền tĩnh nhằm xác định chiều dày ống dẫn ứng với áp suất làm việc của hệ thống.

Nếu bỏ qua ứng suất phụ phát sinh do độ không tròn của mặt cắt ngang     đường ống thì có thể kiểm tra sự đứt dọc của đương ống theo công th

Trong đó :

s_d : ứng suất cho phép của vật liệu làm ống, s_d =(30¸50)% giới hạn  bền của vật liệu làm ống. ở đây ta chọn ống mền có s_d =360(KG/cm²).

          p : áp suất làm việc lớn nhất của hệ thống, p=200(KG/cm²).

          d_n : đường kính ngoài của ống.

           s : chiều dày thành ống

           Ta có : d₀=d₁+2.s. Vậy s_d =

                                                 s_d.2.s = p(d₁+2s)

            Chiều dày thành ống : s=

Thay số: d₁ = 9,84(mm), p=200(KG/cm²), s_d = 0,3.360=108(KG/cm²).

 Vậy chiều dày thành ống s ==10,69(mm).

Chọn s = 12(mm).

8. Tính toán thiết kế bể chứa dầu

Bình chứa dầu có hai chức năng: Lưu trữ dầu và điều hoà dầu trong hệ thống. Các bộ lọc có nhiệm vụ tách chất bẩn trong bể dầu để khỏi gây nghẹt dẫn đến sự phá huỷ hệ thống. Bộ tản nhiệt hay bộ làm mát được dùng để duy trì nhiệt độ dầu trong giới hạn an toàn và ngăn cản sự biến chất của dầu.

Thật dễ dàng để thiết kế bình chứa dầu lý tưởng nếu không bị những ràng buộc về giới hạn không gian, về trọng lượng và có thể chọn vị trí lắp đặt theo ý muốn. Tuy nhiên với những bình chứa dầu thuỷ lực trên các máy đều có những ràng buộc trên. Vì vậy việc thết kế bình chứa dầu có kích thước, hình dạng, vị trí một cách tối ưu cũng là một vấn đề lớn.

Bình chứa dầu thuỷ lực có cấu tạo hợp lý, ngoài việc cung cấp đủ dầu cho bơm còn phải có các khả năng :

+ Toả nhiệt tốt

+ Tách được không khí ra khỏi dầu

+ Nhận biết được sự ô nhiễm dầu

Chúng ta sẽ xem xét mốt số vấn đề liên quan đến việc thiết kế bình chứa dầu :

a. Hình dạng

Về hình dạng bình chứa dầu nên thiết kế cao và hẹp tốt hợp là nông và rộng. Cùng dung tích nhưng bình cao và hẹp có mức dầu cao hơn bình nông và rộng. Mức dầu trong bình cao hơn cửa ống nạp của bơm, sẽ tránh sự xoáy lốc của dầu. Nếu có sự xoáy lốc của dầu ở đường ống nạp sẽ có không khí đi vào hệ thống.

Khi dầu có lẫn không khí thì khả năng truyền công suất giảm. Hơn nữa, không khí sẽ làm giảm khả năng bôi trơn của dầu

b. Kích thước

Trong thời gian dài, thương ta áp dụng quy tắc là dung tích chứa dầu phải bằng 2 hoặc 3 lần lượng dầu của bơm cung cấp.

Như vậy Q_b=20(l/ph) thì dung tích bình chứa dầu V=(40¸60)l. Chọn V=50l, từ đó thiết kế kích thước bình chứa dầu như sau 5´2´5dm³

Bình chứa dầu có kích thước lớn sẽ có khả năng làm mát dầu cao do diện tích bề mặt lớn nên việc tản nhiệt ra không khí bên ngoài sẽ dễ dàng hơn.

c. Cấu tạo bên trong

Trong bình chứa có bố trí một số tấm ngăn. Chiều cao tấm ngăn khoảng bằng 2/3 mựt dầu. Các tấm ngăn có hai tác dụng :

+ Ngăn không cho dầu trên đường ống trở về đi ngay vào bơm. Có tấm ngăn, dầu trở về tản ra phía vách thùng chứa, nhiệt độ sẽ giảm thấp trước khi vào lượng dầu có sẵn trong bình.

+ Tránh sự tung toé dầu trong bình chứa khi hệ thống đang hoạt động. Nắp bình chứa thường có lỗ thông hơi, trên nắp có bộ lọc để ngăn bụi lọt vào cùng không khí. Một số bình chứa không dùng lỗ thông hơi mà thay thế là van điều khiển. Van sẽ tự động đưa không lọc vào bình chứa nhưng ngăn không cho không khí đi ra ngoài cho đến khi áp suất trong bình đạt đến giá trị xác định trước.           

......................................

CHƯƠNG 3 :

TÍNH TOÁN SỨC BỀN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU MÁY

3.1. KHUNG CHỊU LỰC CHỦ YẾU CỦA MÁY

3.1.1 Phân tích trạng thái chịu lực của hệ khung

 Khi máy làm việc thì các cột của hệ khung cố định và hệ khung di động ở trạng thái chịu kéo nén đúng tâm.

Đối với hệ khung di động: toàn bộ tải trọng của xilanh lực sẻ tác dụng vào các cột của hệ khung và gây ra trạng thái ứng suất kéo dọc theo tâm tâm trụ.

Đối với hệ khung cố định thì ngược lại, toàn bộ tải trọng sẻ tác động vào các trụ của hệ khung và gây ra trạng thái ứng suất nén dọc tâm.

Trạng thái chịu lực của mỗi hệ khung là khác nhau, vì vậy phải có những phương pháp tính toán và kiểm nghiệm khác nhau sao cho phù hợp với từng trạng thái chịu lực của các cột.

Như kết cấu lắp ghép đã chọn giữa trụ xà ngang là dùng vai trụ côn và đai ốc. Lúc này cần chú ý đến việc tính toán về điều kiện làm việc của mối ghép ren giữa bulông (trụ) và đai ốc.

Qua những nhận xét đánh giá trên, ta đưa ra phương pháp tính toán để thiết kế kết cấu trụ cho mỗi hệ khung như sau:

3.1.2 Phương pháp tính toán  

Để tính toán cho đơn giản ta phải quan niệm rằng: độ cứng vững của các xà ngang gắn với các trụ là tuyệt đối cứng vững, nghĩa là toàn bộ tải trọng tác dụng tại tâm xà sẽ truyền hoàn đến tâm các trụ và gây trạng thái ứng suất kéo hay nén.

a. Đối với  hệ khung cố định :

Trước hết cần tính toán đường kính trụ theo điều kiện bền của thanh chịu nén đúng tâm, sau đó kiểm tra lại điều kiện ổn địng của thanh chịu nén. Nếu điều kiện ổn định không thỏa mãn ta cần xác định lại đường kính trụ theo điều kiện ổn định. Ngoài ra, đối với kết cấu của hệ khung cố định là có hai trụ chịu lực, do đó trạng thái ứng suất nguy hiểm cho các trụ của nó là khi tải tác dụng lệch tâm theo phương vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ, lúc này các trụ, của hệ khung cố định cũng bị nén lệch tâm. Vì vậy sau khi xác định được đường kính trụ của hệ khung cố định cần kiểm tra lại điều kiện bền của thanh chịu nén lệch tâm.

Trụ của hệ khung cố định luôn ở trạng thái chịu nén, do đó toàn bộ tải trọng sẻ tác dụng vào vai hình côn tại phần lắp ghép giữa trụ và xà, vì vậy ta không cần kiểm tra điều kiện làm việc của ối ghép ren.

b. Đối với hệ khung di động :

Tính đường kính trụ của hệ khung di động theo điều kiện bền của thanh chịu nén đúng tâm. Ở đây ta không cần kiểm tra điều kiện ổn định.

Khi chịu tác động của tải trọng công tác toàn bộ giá trị tải trọng sẻ gây trạng thái kéo ở phần lắp ghép giữa trụ và xà, nghĩa là bề mặt ren lắp ghép giữa bulông (trụ) và đai ốc sẻ chịu lực kéo. Vì vậy cần tính toán đường kính ren
(đường kính chân ren lắp ghép) theo bài toán “bu lông xiết chặt chịu lực ngoài theo chiều trục “ để đảm bảo mối ghép ren làm việc đủ bền.

 

3.1.3 Tính toán cho hệ khung cố định

a.  Kết cấu tính toán

Hình 3.1. kết cấu tính toán hệ khung cố định

b.  Tính toán

Xét về kết cấu chịu lực của hệ khung cố định trong máy ép thì xà ngang có độ cứng vững lớn hơn rất nhiều lần so với độ cứng vững của cột. Do đó trong quá trình tính toán, để đơn giản ta xem lực tác dụng tại tâm của xà ngang sẻ được chia đều cho hai cột chịu lực. Lúc này trụ (cột) sẻ được tính toán sức bền như một thanh chịu nén đúng tâm. Vì vậy ngoài việc tính toán sao cho thoả mãn điều kiện bền, còn phải kiểm tra theo điều kiện ổn định.

*)  Điều kiện bền :

- Lực P_t tác dụng lên hệ khung : P_t = 100T

      P_t = 100T = 100.10³ (KG) = 100.10⁴ (N)

Với kết cấu gồm hai trụ, vì vậy mỗi trụ sẻ chịu tác dụng của lực N_Z có giá trị

     N_Z =  = = 50.10⁴ (N)

- Lực dọc N_z trong trụ :

     N_z =  = 50.10⁴(N)

Theo điều kiện bền thanh chịu kéo nén đúng tâm : muốn đảm bảo sự làm việc an toàn của thanh chịu kéo nén đúng tâm thì ứng suất lớn nhất trên mặt cắt ngang của nó không vượt quá ứng suất cho phép :

     s_z =                                                                                 (3 -1)

Trong đó :

+) s_z : ứng suất lớn nhất trên bề mặt cắt ngang

+) F : diện tích mặt cắt ngang. Ở đây trụ có tiết diện tròn. Vì vậy

                 F =     (d: đường kính trụ)

+) [s] : ứng suất cho phép của vật liệu và [s] được tính theo công thức :

                   [s] =   

Trong đó :             s₀ : ứng suất nguy hiểm

                   n : hệ số an toàn, chọn n = 1,4

Ở đây ta chọn vật liệu thép 45 nên :

      [s] =

Trong đó : [s_k], [s_n] : ứng suất cho phép khi kéo, ứng suất cho phép khi nén.

                  [s_ch] : ứng suất giới hạn chảy của vật liệu. Tra bảng (1.3) giáo trình “chi tiết máy 1” ta có [s_ch] = 360MP_a = 360(N/mm²)

- Từ công thức (4-1) ta có :

                F ³                                                                                 (3-2)

Thay các giá trị F =   vào (2-4) ta có

          

Thay số vào ta được

            d³

chọn d = 50(mm) = 5(cm).

*)  Điều kiện ổn định :

- Đối với thanh chịu nén đúng tâm, trong bất kỳ trường hợp nào, người ta cũng không cho phép lực nén cực đại P đạt tới hoặc gần tới giá trị lực tới hạn P_th để tránh sự mất ổn định của thanh. Vậy điều kiện ổn định là :

            P £                                                                 (3-3)

Trong đó :

+) P : tải trọng tác động cực đại, P = P₁ = 50.10⁴(N)

+) K_ôđ : hệ số an toàn về ổn định. Đối với vật liệu là thép K_ôđ =(1,5 ¸3)

Lúc này cần xác định giá trị lực P_th.

Hình 3.2. Biểu đồ quan hệ s_th - l

Để xác định P_th có thể dùng công thức EuLer hoặc công thức lasinski. Phạm vi áp dụng của mỗi công thức có thể nhận biết thông qua đồ thị quan hệ giữa ứng suất tới hạn và độ mãnh (l) (hình 3.2).

Nhìn vào đồ thị ta thấy có 3 khoảng giá trị của đồ thị mảnh (l). Lần lượt xét các khoảng giá trị l để đưa ra công thức tìm P_th một cách hợp lý.

            +) l ³ l₀: Độ mãnh của thanh lớn. Vì vậy dùng công thức EuLer để tính lực tới hạn P_th. Điều này có nghĩa là phạm vi áp dụng công thức EuLer chỉ xét trong giai đoạn đàn hồi của vật liệu. Như vậy điều kiện áp dụng công thức EuLer là :

              s_thtl

   hay < s_tl

Trong đó :

       + P_th= : Công thức Euler                                                (3-4)

       + E : Moduyn đàn hồi của vật liệu. Đối với thép E=2,1.10⁷ N/cm².

        + J_min : momen quán tính chính tâm nhỏ nhất của mặt cắt ngang hình  tròn và được tính J=J_min=

        + m : Hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết hai đầu thanh ứng với dạng liên kết một đầu ngàm, một đầu tự do m=2

       + l : Chiều dài thanh, l=200(cm)

       + Đặt i_min= là bán kính quán tính nhỏ nhất. Ta được

                                 s_th=

         + Kí hiệu l= là độ mảnh của thanh. Nó đặc trưng cho tính dễ uốn của thanh.

         Độ mảnh giới hạn l₀ được tính

                     l₀=

         Đối với thép có E=2,1.10⁷(N/cm²), s_tl =2100(N/cm²) thì l₀=100

          +) 40 £ l £ 100 : độ mảnh nằm trong giới hạn trung bình. Lúc này dùng công thức Iasinski để tính s_th. Công thức Iasinski có dạng :

           s_th=a- b+cl²

Trong đó : a, b, c, là các hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu. Giá trị a, b, c, cho trong bảng (12-2) giáo trình “Sức bền vật liệu” tập hai của Lê Viết Giảng

   +) 0 £ l £ 40 : Độ mãnh nằm trong giới hạn bé. Người ta cho rằng s_th=s_ch. Ứng với các số liệu (l, m, F, d) ta tính được

                 l=

Thay số vào ta có : l== 320

Ta thấy l>100. Vậy dùng công thức Euler (3-4) để tính P_th

                           P_th=

Thay số vào ta được :

                           P_th =

                           P_th » 39682(N)

So với giá trị trọng cực đại P=50. 10⁴ ta thấy P > . Vì vậy điều kiện ổn định không được thoả mãn. Do đó cần dựa vào điều kiện ổn định theo công thức (3-3) để tính chọn đường kính d.

Theo (3-3) ta có

                  d³ 11,2 (cm)

Chọn d = 150(mm)

*) Kiểm tra ứng suất trong trụ khi nó chịu tác dụng của tải trọng lệch tâm: 

Đối với hệ khung cố định gồm hai trụ chịu lực thì trường hợp nguy hiểm nhất là khi tải trọng tác động lệch tâm theo phương vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ. Vì vậy cần kiểm tra lại giá trị ứng suất phát sinh trong trụ ở trường hợp này.

Khi tải trọng tác động lệch tâm theo phương vuông góc với đường nối tâm giữa hai trụ thì trạng thái ứng suất trong mỗi trụ là chịu nén lệch tâm. Lúc này trụ chịu lực của hệ khung cố định vừa chịu uốn vừa chịu nén.

Áp dụng nguyên lý độc lập tác dụng trong môn học “ sức bền vật liệu” ta có công thức tính ứng phát sinh trong trụ ở trường hợp chịu nén lêch tâm là :

              s =                                                    (3-5) Trong đó :

 p : Tải trọng tác dụng lớn nhất, P = 10⁶ (N)

 F : Diện tích mặt cắt ngang của trụ F = p.d²/4

  l : mômen chống uốn, đối với mặt cắt ngang hình tròn ta có l = p.d³/32

 e : độ lệch tâm theo phương vuông góc với tâm đường nối giữa hai tâm trụ.Trong trường hợp này ta chọn e = 10(mm)

Thay các giá trị P, F, l, e, d vào (3-5) ta có :

            s =

Thay số vào ta có :  s =

                                s = 10,8 (N/mm²)

Giá trị ứng suất cho phép của vật liệu [s] = , trong đó [s_ch] là ứng suất cho phép về chảy của vật liệu và n là hệ số an toàn.

Đối với vật liệu thép 45 ta có [s_ch] = 360(N/mm²), chọn hệ số an toàn n=3.

Suy ra giá trị ứng suất cho phép của vật liệu [s] = N/mm²)

So sánh giá trị [s] với giá trị ứng suất tính được ta thấy giá trị ứng suất tính được s nhỏ hơn rất nhiều so với giá trị ứng cho phép [s] của vật liệu. Vậy trụ làm việc đủ bền.

c. kết cấu trụ của hệ khung cố định

Hình 3.3. Kết cấu của hệ khung cố định

3.1.4 Tính toán cho hệ khung di động

a. Kết cấu tính toán

                                 

Đề tài thiết kế máy kéo nén thủy lực, ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thiết kế máy kéo nén thủy lực CẢI TIẾN , thuyết minh thiết kế máy kéo nén thủy lực, động học máy thiết kế máy kéo nén thủy lực, kết cấu thiết kế máy kéo nén thủy lực, nguyên lý máy máy kéo nén thủy lực , cấu tạo máy máy kéo nén thủy lực