Tính toán thiết kế chế tạo xy lanh phần 2

Tính toán thiết kế chế tạo xy lanh phần 2

Tính toán thiết kế chế tạo xy lanh phần 2

15:23 - 21/09/2017

Tiếp tục với phần một Giới thiệu – khái quát chung về xi lanh thủy lực, chúng ta tiếp tục đi vào phần 2 thực hành tính toán, thiết kế một bộ xi lanh thủy lực với các thông số yêu cầu cho trước.

Để tính toán các thông số của xy lanh, trước tiên chúng ta phải biết các thông tin “đầu vào” như sau:

1- Lực tác động lên cán (hoặc vỏ) xy lanh – tính bằng kgs, tấn, N…: Xy lanh sẽ phải được cung cấp dầu có áp suất để thắng lại được lực này.
2- Khoảng hành trình làm việc của xy lanh (quãng đường di chuyển = S): m hoặc cm
3- Thời gian để xy lanh đi hết hành trình này – t: giây (s)
4- Ngành ứng dụng, sử dụng: để lựa chọn áp suất làm việc và loại kết cấu xy lanh.Khi đã có câu trả lời cho các câu hỏi ở trên rồi, ta cóthể tính được các thông số làm việc và lựa chọn xy lanh.

 

a- Lựa chọn áp suất làm việc MAX của xy lanh.
Giá trị này được xem xét lựa chọn ở hai mặt:
– Nếu đã có sẵn hệ thống bơm thủy lực thì giá trị này là giá trị max mà hệ thống bơm có thể cung cấp được và
– Nếu chưa có hệ thống bơm cấp thủy lực (có nghĩa là chúng ta phải lựa chọn hệ thống bơm thủy lực này dựa trên yêu cầu của xy lanh đang chọn) thì phải lựa chọn giá trị áp suất MAX. Về nguyên tắc, với một lực tác dụng cho trước, áp suất càng cao thì xy lanh càng nhỏ, gọn (về đường kính) và ngước lại. Tuy nhiên, áp suất cao cũng đồng nghĩa với hệ thống nguồn cấp và điều khiển phải làm việc ở chế độ cao áp và chi phí sẽ càng đắt. Do đó, tùy thuộc vào các ứng dụng – tính chất công việc khác nhau, người ta sẽ quyết định mức áp suất sử dụng khác nhau. Thông thường trong công nghiệp có hai dải áp suất chính là: đến 200 bar và từ 250 – 400 bar.

Sau khi đã biết/chọn được áp suất MAX của hệ thống, sẽ tính toán đến đường kính làm việc của xy lanh.

b- Xác định đường kính làm việc của xy lanh thủy lực
Đường kính xy lanh bao gồm hai thông số:
– D: Đường kính lòng xy lanh
– d: Đường kính cán xy lanh

Một cách chung nhất, các đường kính này được tính toán dựa trên Diện tích làm việc (A) của xy lanh dưới tác dụng của áp suất dầu thủy lực (p) để thắng lại lực cản lên nó (F)A (cm2) = F (kg) / [p (kg/cm2) * 0.95] trong đó hiệu suất chuyển đổi cơ khí -> thủy lực = 0.95

 


Các thông số theo hình vẽ trên:
Ak: Diện tích làm việc phía đuôi xy lanh
Fz: Lực đẩy tác dụng lên cán xy lanh
Ar: Diện tích làm việc phía cần xy lanh
Fd: Lực kéo tác dụng lên cán xy lanh

Nếu cấp vào hai phía xy lanh với cùng một áp suất p thì:
Ak = Fz / [0.95*p] và
Ar = Fd / [0.95*p]

Từ đây sẽ tính được đường kính làm việc của xy lanh: (SQRT là khai căn bậc 2 nhé!)
D = SQRT(4*Ak/3.14) và
d = SQRT(D*D – 4*Ar/3.14)

Các yếu tố tác động đến lực cản F bao gồm các yếu tố sau:
– Lực cản lại (kéo/đẩy) của riêng tải tác động lên cán xy lanh. Ví dụ như lực kéo của tải xuống dưới hoặc lực ma sát của tải trọng khi cán xy lanh đẩy nó…)
– Lực cản lại của bản thân áp lực dầu có sẵn ở khoang xy lanh phía đối diện. Trong rất nhiều trường hợp sẽ có một áp suất tồn tại trong khoang đối diện khi dầu bị nén, chảy qua lỗ hẹp hoặc tổn hao áp suất qua các valve an toàn, valve phân phối, đường ống, lọc dầu, bộ làm mát… Áp suất này cũng gây ra một lực cản tính trên diện tích hiệu dụng ở trong xy lanh.
– Bản thân ma sát của xy lanh ở các phần quả piston, cần xy lanh với cổ xy lanh.
c- Tính vận tốc và Lưu lượng cần cấp vào xy lanh
Vận tốc của cần xy lanh thò/thụt v (m/s) = S (m) / t (s)
Theo nghiên cứu trong phần lớn trường hợp, vận tốc của cán xy lanh không nên vượt quá v = 0.5 m/s vì lý do làm kín của phần gioăng phớt và đảm bảo an toàn làm việc.Lưu lượng Q cần cấp vào xy lanh để xy lanh đi hết hành trình trong thời gian yêu cầu

 

Q (l/phút) = A * v * 6 / 0.95 trong đó hiệu suất lưu lượng của xy lanh = 0.95

Lưu ý là lưu lượng cần cấp vào phía cán xy lanh Qr sẽ nhỏ hơn lưu lượng cấp vào phía đầu xy lanh Qk.

d- Tính toán chiều dài chịu uốn của cần xy lanh

Kết cấu của xy lanh thủy lực có khả năng chịu kéo/nén đúng tâm rất tốt nhưng khả năng chịu uốn của cán/vỏ xy lanh rất kém, nhất là khi xy lanh đã duỗi ra. Chính vì vậy phải tính toán chiều dài chịu uốn lớn nhất (Lm) của xy lanh để quyết định kiểu lắp ghép của xy lanh.
Để xác định, cần dựa vào các thông số tính toán về đường kính cán d và áp suất làm việc ở trên và tra trên biểu đồ sau để xác định được lực lớn nhất trên cán xy lanh và giá trị Lm

(Với giá trị Lm tương ứng với giá trị l trong hình dưới đây)

Với mỗi kiểu lắp ghép khác nhau, chiều dài làm việc cho phép của cán xy lanh L = Lm * k
Hệ số k được tra trong bảng dưới đây:

 

Thực tế thì việc chọn D/d sẽ theo các cỡ ống/cần có sẵn trên thị trường, sau khi đã có thông số tính toán của cặp D/d ta mới chọn sao cho D/d (tính toán) nhỏ hơn hoặc bằng D/d (tiêu chuẩn). Ví dụ các cỡ thông dụng theo tiêu chuẩn Đức: 50/28 – 63/36 – 80/45 – 100/56 – 125/70 – 160/90 – 200/110…

Sau khi chọn được D/d thích hợp thì chỉ việc tính ngược lại các thông số làm việc (áp suất, lực, vận tốc, thời gian…) để kiểm tra xem có đáp ứng yêu cầu đầu bài không là đủ. Việc chọn bơm cũng thế. Sau khi đã xác định được lưu lượng cần cấp như mục C thì phải xác định lưu lượng cấp từ bơm thủy lực lựa chọn. Thông thường phải chọn bơm có lưu lượng lớn cấp vào phía đầu xy lanh và do đó phải lập phương án “tiết lưu” hoặc “điều chỉnh” lưu lượng nhỏ hơn cấp vào phía cán xy lanh.