Bài tập lớn Kỹ thuật thủy lực khí nén - Đề tài Thiết kế hệ thống máy ép nhựa

Nội dung text: Bài tập lớn Kỹ thuật thủy lực khí nén - Đề tài Thiết kế hệ thống máy ép nhựa

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN KỸ THUẬT THỦY LỰC KHÍ NÉN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY ÉP NHỰA Giảng viên: Trương Quốc Thanh Nhóm thực hiện: Nhóm 05 TP HCM, 2019 1
2. MỤC LỤC 1. Nguyên lý truyền động thủy lực: 1 2. Thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép nhựa 4 a) Các cụm làm việc của máy ép phun nhựa 4 b) Quá trình ép phun 11 3. Lựa chọn sơ đồ thủy lực 12 3.1. Các phần tử thủy lực 12 Thông số đầu vào: 20 3.2. Tính toán chọn xy lanh 21 3.3. Tính toán chọn bơm thủy lực và động cơ điện: 23 3.4. Chọn valve thủy lực 28 Tài liệu tham khảo 30
3. Ưu – nhược điểm của hệ thống thủy lực: + Ưu: Truyền động được công suất cao, chịu lực lớn nhưng kết cấu tương đối đơn giản, đạt độ tin cậy cao, chi phí bảo dưỡng thấp. Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển dộng tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. Thiết kế đơn giản hơn Có tính linh hoạt cao hơn. Các bộ phận trong hệ thống thủy lực có thể bố trí ở nhiều vị trí nên rất linh hoạt trong việc định vị. Vận hành ít gây rung động. Tốc độ và lưu lượng có thể điều khiển được trong khoảng rộng. Hiệu suất cao do tổn thất công suất bởi ma sát rất nhỏ. Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực; nhờ tinh chịu nén của dầu nên máy có thể sử dụng vận tốc cao. Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tự động hóa. + Nhược: Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử. Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải do tính nén được của dầu và tính đàn hồi của đường ống dẫn. Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển. Khả năng lập trình và tích hợp hệ thống kém nên khó khăn khi thay đổi chương trình làm việc. Tính chính xác phụ thuộc vào chất lượng của dầu thủy lực, khí hậu, môi trường, Khó khăn trong bảo trì, vấn đề chống ăn mòn, chống xuống cấp của dầu. Gây ô nhiễm môi trường. 2
4. 2. Thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép nhựa a) Các cụm làm việc của máy ép phun nhựa Cụm nhựa hóa trong xi lanh nguyên liệu: Phễu nạp liệu: Vật liệu nhựa dưới dạng viên được cho vào phễu nạp liệu, phễu giữ các hạt nhựa này và dưới tác dụng của trọng lực các hạt nhựa được đưa váo bên trong thùng chứa và được trục vít đưa đến khuôn. Xy lanh chứa nguyên liệu: + Cấu tạo: Làm bằng thép đúc bề mặt trong được tôi và xi mạ nhẵn bóng để thuận lợi cho việc thay đổi màu nguyên liệu không bám dính, giảm ma sát tránh tổn thất. Phía ngoài có gắn các vòng điện trở để gia nhiệt. Xylanh khá dài vì phải có chỗ chứa keo phía trước để phun ép. + Nhiệm vụ quan trọng: Tạo bề mặt truyền nhiệt. 4
5. Bộ phận truyền động: Trục vít hoạt động nhờ 2 bộ phận truyền động khác nhau: + Chuyển động tới lui nhờ vào xylanh thủy lực lắp sau xylanh nguyên liệu. + Chuyển động quay tròn có thể do động cơ điện truyền động thủy lực. Hiện nay người ta dùng động cơ thủy lực, vì phạm vi điều chỉnh vận tốc rộng, mặt khác cơ cấu vận động kiểu này đơn giản hơn. Đầu phun: Là bộ phận nối tiếp giữa xylanh nguyên liệu, nó giữ nhiệm vụ dẫn nguyên liệu từ xylanh nguyên liệu đến khuôn. Cấu tạo và hình dạnh của đầu phun có ảnh hưởng rõ rệt đến áp suất nhiệt của nhựa, đồng thời nó cũng ảnh hưởng tới thời gian duy trì áp suất, nghĩa là ảnh hưởng đến chu kì đúc. Cấu tạo của đầu phun phải đảm bảo 3 yêu cầu sau: + Không có điểm dừng trên đầu nguyên liệu. 6
6. Cụm đóng mở khuôn: Bộ phận này rất đa dạng, gồm các loại thủy lực, cơ học, thủy lực kết hợp với cơ học, cơ điện, Mỗi kiểu có những ưu nhực điểm riêng. Nhưng hiện nay người ta có khuynh hướng sử dụng tổ hợp các xylanh thủy lực khác nhau và không dùng thủy lực cơ học. Dù kiểu nào đi chăng nữa thì bộ phận này cũng phải đáp ứng 2 yêu cầu sau: + Kết cấu gọn nhẹ. + Đảm bảo độ cứng vững, chịu được lực lớn khi đóng khuôn. Bộ phận kẹp khuôn bao gồm 2 khuôn: một khuôn cố định và một khuôn di động, 1 cơ cấu dẫn động khuôn di động. → Ta chọn phương án dùng pistong thủy lực đặt ngang để kẹp khuôn: Vì so với những cơ cấu khác thì cơ cấu kẹp khuôn bằng pistong thủy lực có những ưu điểm sau: + Phương truyền lực tốt. + Lực truyền động lớn. + Điều khiển được chính xác. + Có khả năng giữ tải tốt, tạo ra các lực khóa khuôn lớn. Nguyên lý hoạt động của pistong thủy lực: Lực từ pistong 1 được truyền qua cơ cấu phẳng tác động vào khuôn di động 6, làm cho khuôn trượt trên thanh dẫn hướng 7 để thực hiện đóng mở khuôn. 8
7. Ghi chú: I. Cụm nhựa hóa gồm các thành phần: 1. Trục vít 2. Phễu cấp liệu. 3. Tấm gia nhiệt. 4. Vòi phun. Chuyển động quay của cụm này gồm có cả chuyển động quay và tịnh tiến. + Trục vít chuyển động quay tròn theo 1 chiều đồng thời chuyển động tịnh tiến. II. Cụm đóng mở khuôn: Cụm này gồm có 1 khuôn cố định và 1 khuôn di động. Khuôn di động chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu kẹp khuôn. III. Cụm đẩy sản phẩm: Cụm này chuyển động tịnh tiến bằng chốt đẩy vào khoảng trống ngay giữa trọng tâm khuôn di động để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn. 10
8. 3. Lựa chọn sơ đồ thủy lực 3.1. Các phần tử thủy lực Trong một hệ thống thủy lực có thể chia thành các nhóm bộ phận sau: Phần cấp nguồn: bơm, bộ lọc, Phần xử lý: van áp suất, Phần điều khiển: van đảo chiều, Phần chấp hành: xy lanh, động cơ dầu, Trong đó: Phần cấp nguồn: Bơm thủy lực: Là nguồn năng lượng mà chuyển các chất lỏng trong các máy xúc tác để nâng, thấp, mở, đóng hoặc xoay các thành phần của bộ phận chấp hành, gồm có: + Bơm cánh gạt tác dụng đơn: ➢ Khái niệm: Máy thủy lực cánh gạt là máy thủy lực roto có kết cấu đơn giản, làm việc ít ồn, có khả năng điều chỉnh được lưu lượng. Loại máy này yêu cầu việc lọc chất lỏng khắt khe khi làm việc. Phạm vi làm việc của bơm cánh gạt tác dụng đơn tương đối hẹp nhưng đối với bơm tác dụng kép thì phạm vi làm việc được mở rộng nhiều. Máy thủy lực cánh gạt được sử dụng nhiều trong hệ thống máy công cụ, khoan, doa, phay, tiện, mài. ➢ Cấu tạo: 12
9. Được chia làm 2 ngăn bởi 1 màng lọc (5). Khi mở động cơ (1), bơm dầu làm việc, dầu được hút lên qua bộ lọc (3) cấp cho hệ thống điều khiển, dầu xả về được cho vào 1 ngăn khác. Dầu thường đổ vào bể qua 1 cửa (8) bố trí trên nắp bể lọc và ống xả (9) được đặt vào gần sát bể chứa. Có thể kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắt dầu (7). Nhờ các màng lọc và bộ lọc, dầu cung cấp cho hệ thống đảm bảo sạch. Sau một thời gian làm việc định kỳ thì bộ lọc phải được tháo ra rửa sạch hoặc thay mới. Trên đường ống cấp dầu ( sau khi qua bơm) người ta gắn vào 1 van tràn điều chỉnh áp suất dầu cung cấp và đảm bảo an toàn cho đường ống cấp dầu. + Bộ lọc: Trong quá trình làm việc, dầu không tránh khỏi bị nhiễm bẩn do các chất bẩn từ bên ngoài vào, hoặc do bản thân dầu tạo nên. Những chất bẩn đó sẽ làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ gây nên những trở ngại, hư hỏng trong các hoạt động của hệ thống. Do đó trong các hệ thống dầu éo đều dùng bộ lọc để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu. Bộ lọc thường đặt ở đầu ống hút của bơm. Trường hợp dầu cần sạch hơn, đặt thêm một bộ nữa ở đầu ra của bơm và một bộ ở hệ thống xả của hệ thống dầu ép. Tùy thuộc vào kích thước chất bẩn có thể lọc được, bộ lọc dầu có thể được phân thành các loại sau: + Bộ lọc thô: Có thể lọc được chất bẩn đến 0.1mm. + Bộ lọc trung bình: Có thể lọc được chất bẩn đến 0.01mm. + Bộ lọc tinh:Có thể lọc được chất bẩn đến 0.005mm. + Bộ lọc đặc biệt tinh:Có thể lọc được chất bẩn đến 0.001mm. 14
10. Phần xử lý: Dòng dầu thủy lực được bơm đưa lên các đường ống dẫn dầu đến bộ phận chấp hành. Để kiểm soát vận tốc của các cơ cấu chấp hành ta dùng van tiết lưu. Để ngăn ngừa quá tải ta dùng van tràn, van an toàn. + Đặc điểm các loại van: Van áp suất: Dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm giá trị số áp suất trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. Van áp suất có thể chia thành các loại sau: Van tràn và van an toàn. Van giảm áp. Van cản. Van đóng mở cho bình trích chứa thủy lực. a) Van tràn và van an toàn: Tác dụng: “Ngăn ngừa” áp suất vượt qua 1 giá trị đặt trước bởi người sử dụng nhằm bảo vệ hệ thống hoặc cụm thiết bị không bị phá hỏng do áp suất ( vì vậy nó được gọi là van an toàn). Thông thường van an toàn có 2 cửa dầu: 1 cửa nối với nguồn cấp / gây ra áp suất, 1 cửa kia nối về thùng chứa để xả bỏ dầu về lại bể dầu. Lưu ý là lưu lượng xả bỏ qua van an toàn hầu như không phụ thuộc vào áp suất. Van tràn làm việc thường xuyên còn van an toàn làm việc khi quá tải. 16
11. Phần điều khiển: Van đảo chiều: Ta sử dụng van đảo chiều vì nó dùng để đóng/ mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành. Một số loại van đảo chiều: + Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí ( ký hiệu : 2/2). + Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí ( ký hiệu : 3/2). + Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí ( ký hiệu : 4/2). + Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí ( ký hiệu : 4/3). + Van đảo chiều còn phong phú về tín hiệu tác động. Ở đây ta sử dụng loại van đảo chiều 4 cửa 3 vị trí (4/3), lò xo định tâm, điều khiển bằng solenoid vận hành lái thủy lực Phần chấp hành: Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tròn. 18
12. Thông số đầu vào: Lực kẹp khuôn: 5000kN Áp suất hoạt động: 17,5Mpa Áp lực phun: 130Mpa Thể tích phun tối đa: 2736cm3 Tốc độ phun tối đa: 522 g/s Khối lượng nhựa phun tối đa: 2597g Đường kính trục vít: 95x60mm Hành trình xylanh kẹp khuôn: 220mm Chu kỳ kẹp: 4s Tốc độ quay trục vít: 120vòng/phút. 20
13. Trong đó: p là áp suất trong xy lanh = áp suất của hệ thống = 17,5 (MPa) A là tiết diện của xy lanh kẹp khuôn. 퐹 195.103 = = = 11,14.10―3( 2) 17,5.106 Đường kính của xy lanh kẹp khuôn: 4 ―3 = = 4 11,14.10 = 0,119( ) Chọn theo tiêu chuẩn: D = 120 (mm) Tính toán chọn xyanh di chuyển cụm phun nhựa Đường kính xy lanh trục vít : D = 95(mm) 2 2 Diện tích của trục vít: 95 2 = 4 = 4 = 7088,22( ) Ta có áp lực phun: p = 130(MPa) Lực tác dụng vào trục vít: 퐹 = = 130 7088,22 = 921,468(퐾 ) Áp suất của hệ thống: p = 17,5(MPa) Diện tích của xy lanh di chuyển cụm phun: 퐹 921,468.103 = = = 52,657.10―3( 2) 17,5.106 Đường kính của xy lanh di chuyển cụm phun: 4 ―3 = = 4 52,657.10 = 259( ) Chọn theo tiêu chuẩn D = 250 (mm) 22
14. Công suất của bơm cần cung cấp cho xy lanh kẹp khuôn: 6 -4 Nk = kb x P x Q = 1,1x17,5x10 x6,127x10 = 11,794 (kW) Trong đó: kb là hệ số tổn thất năng lượng do ma sát dầu trong đường ống. Tính toán công suất phun: 3 Thể tích nhựa phun tối đa là:Vmax= 2736 ( cm ) Khối lượng nhựa phun tối đa: m=2597(g) Tốc độ phun tối đa: v=522(g/s) 2597 Thời gian phun: 푡 = 푣 = 522 = 5(푠) Lưu lượng phun tối đa: 2736 푙 푙 푄 = = = 547,2 = 32,832 푡 5 푠 ℎ Công suất phun tối đa: 6 -6 Nk = kb x P x Q = 1,1x17,5x10 x547,2x10 = 10,534 (kW) Khi trục vít lùi về nạp liệu: Thông số của trục vít: Đường kính đỉnh răng : D=95(mm) Đường kính chân răng : d=60(mm) Bước vít : pc 32( mm) Khi quay 1 vòng trục vít vận chuyển được : ( 2 ― 2) (952 ― 602) 푣 = = 32 = 136,35( 3) 4 4 24
15. Tốc độ quay của trục vít là: n=120 rpm Bộ truyền động bánh răng trụ hộp giảm tốc 2 cấp, ta chọn tỉ số truyền u=8 Suy ra vận tốc quay của động cơ thủy lực : = × 푛 = 8 × 120 = 960( ) Dựa vào vận tốc quay của động cơ ta chọn động cơ : TE series HY13-1590-007/US có vận tốc quay của động cơ n=1000 (rpm), lưu lượng dầu tối đa : 푄 = 20( ) = 76(푙푖푡/ ℎ 푡) Motor thủy lực TE series HY13-1590-007/US Tính toán chọn động cơ điện: 26
16. Lưu lượng lớn nhất mà bơm tạo ra trong hệ thống là: 55 × 60 푄 = = = 171,43(푙/ ) × 푃ℎ푡 1,1 × 17,5 Dung tích bơm cung cấp trong một vòng quay của động cơ chọn ở trên là: 푄 171,43 × 1000 푞 = = = 174,04 ( 푙/푣 ) 푛 985 Dựa vào dung tích trên ta chọn bơm cánh gạt có mã số PV2R4-184 có dung tích 푞 = 184( 푙/푣 ). 3.4. Chọn valve thủy lực Van tràn chỉnh áp suất của bơm: Van tràn được chọn là model RF/RCF-16-H-20 [6] với lưu lượng tối đa cho phép qua là 500(l/phut), áp suất làm việc tối đa là 21Mpa (Hình 3.15) được dùng để chỉnh áp suất ra củabơm đưa vào mạch điều khiển. Valve tiết lưu: 28
17. Tài liệu tham khảo [1] Micheal J Pinches, John G Ashby. Power hydraulic [2] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí- tập 1, tập 2. [3] Hydraulics.com.vn [4] Catalouge Yuken PV2R4 Series 30