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
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
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
Xác định lưu lượng:
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế mạch thủy lực
E1
Y1 Y2P
A B
T
Xy lanh A
D1
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
hơn vận tốc hành trình đi ra nếu không có sự điều
chỉnh lưu lượng.
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Xy lanh B
E2
Y3 Y4
Y5
P
A B
T
P
A
T
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
một phan phân phối 3/2 để chuyển mạch. Khi
cuộn dây Y5 được cấp điện, xy lanh B chuyển
sang làm việc với vận tốc chậm.
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
E1
Y1 Y2P
A B
T
Xy lanh A
D1
E2
Y3 Y4
Y5
P
A B
T
P
A
T
Xy lanh B
Đến động cơ
Áp suất làm việc của xy
lanh A và B là 90 bar, trong
khi áp suất làm việc của
động cơ thủy lực là 115
bar. Do vậy, cần thiết phải
có van giảm áp cho nhánh
hai xy lanh A và B. Mạch
thủy lực cho hai xy lanh A
và B được đề nghị như
sau:
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Động cơ thủy lực
Y6
Động cơ thủy lực
P
A B
T
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.
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
E1
Y1 Y2P
A B
T
Xy lanh A
D1
E2
Y3 Y4
Y5
P
A B
T
P
A
T
Xy lanh B
Y6
Động cơ thủy lực
P
A B
T
Đến động cơ
Mạch thủy lực của hệ thống có thể được trình bày như sơ đồ dưới đây
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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
1 l//s
1.2 l//s
1.12 l//s
1.1 l//s
0.7 l//s
Biểu đồ lưu lượng
Q l/s
t (s)
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
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.
le the truyen
Cennitec
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Sơ đồ thủy lực và các giá trị điều chỉnh van có thể trình bày như sau:
E1
Y1 Y2P
A B
T
Xy lanh A
D1
E2
Y3 Y4
Y5
P
A B
T
P
A
T
Xy lanh B
Y6
Động cơ thủy lực
P
A B
T
Đến động cơ
P = 22 kW
n = 1450
P = 140 bar
P = 105 bar
3.5 m/s
3.6 m/s
Y7
Xy lanh A
Xy lanh B
Động cơ
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
Nha
nh
Chậm
CENNITEC
www.themegallery.com