Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 3: Máy ép thuỷ lực dẫn động kiểu bơm có bình tích áp

Nội dung text: Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 3: Máy ép thuỷ lực dẫn động kiểu bơm có bình tích áp

1. Ch−ơng 3 Máy ép thuỷ lực dẫn động kiểu bơm có bình tích áp 3.1. Thành phần của máy và công dụng Máy ép sử dụng dẫn động từ trạm bơm có bình tích áp đ−ợc trình bày ở hình 3-1. Hình 3-1. Máy ép thuỷ lực có dẫn động từ trạm bơm có bình tích áp Khi đóng bộ tăng áp, van một chiều 7 trong bộ phân phối sẽ ngắt xi lanh công tác với bình tích áp 15. Bộ tăng áp trung gian 13 có nhiệm vụ điều tiết áp suất của chất lỏng công tác cấp cho máy ép. Bình tích áp 15 gồm có bình thủy lực và bình khí. Van mức tối thiểu 14 đ−ợc bố trí để định mức áp suất chất lỏng trong bình thuỷ lực của bộ tích áp không đ−ợc giảm quá mức. Bình tích áp không pittông 15 làm nhiệm vụ trữ chất lỏng có áp suất từ bơm đ−a đến trong những khoảng thời gian nghỉ của máy ép và cấp chất lỏng cho máy ở những khoảng thời gian làm việc. Máy nén khí áp suất cao 16 dùng để cấp khí nén cho các bình khí 42
2. của bình tích áp, đ−ợc tính toán thiết kế đủ công suất đủ, để trong thời gian làm việc của máy ép, l−ợng tiêu thụ không khí không nhiều. Thùng của bơm 17 đảm bảo cấp chất lỏng cho bơm và chứa chất lỏng thừa từ thùng cấp dầu trở về. Bơm 18 áp suất cao dùng để nạp cho bình tích áp, th−ờng ng−ời ta sử dụng kiểu bơm trục khuỷu ba pittông. Van giảm tải 20 của bơm có nhiệm vụ chuyển bơm sang làm việc ở chế độ không tải khi bình tích áp đã đầy. Trên hình 3-1 ở góc d−ới bên phải có biểu đồ mở các van. Bảng 3-1 liệt kê vị trí các van phân phối ở các giai đoạn khác nhau phù hợp với biểu đồ trên. Bảng 3.1 Vị trí các van của bộ phân phối Giai Các van đoạn 4 5 6 7 8 9 10 I M Đ M Đ Đ M Đ II M Đ M MTĐ Đ Đ Đ III M Đ Đ Đ Đ Đ Đ IV Đ Đ Đ Đ M Đ M V Đ M Đ Đ M Đ M Chú thích: M - mở; Đ - đóng ; MTĐ - mở tự động Hệ thống hoạt động theo các giai đoạn sau: I - hành trình công tác, áp suất từ bộ tăng áp trung gian; II - hành trình công tác, áp suất từ bình tích áp; III - hành trình không tải (cấp dầu); IV - giữ dầm ngang; V - hành trình đẩy về. 3.2. Phân loại và kết cấu bình tích áp Bình tích áp của các máy ép thuỷ lực có hai loại chính: loại bình tích áp tải trọng và bình khí thuỷ lực (dùng hơi). Theo kiểu của cơ cấu phân phối giữa không khí và chất lỏng thì tích áp kiểu bình khí thuỷ lực còn chia ra làm các loại không có pittông, loại có pittông và loại màng. 3.2.1. Bình tích áp tải trọng Bình tích áp tải trọng có kết cấu dạng ống dài, tác dụng nh− một xi lanh, trong ống có pittong đ−ợc gắn thêm một khối tải trọng làm bằng gang, để tạo áp lực nén cho chất lỏng. 43
3. Trọng l−ợng khối tải trọng đ−ợc tính nh− sau G: G = a.f.p trong đó: a - hệ số tính toán xét đến ảnh h−ởng của ma sát do sự bịt kín của pittông, th−ờng dùng a = 1,1; f - diện tích tiết diện ngang của pittông; p - áp suất chất lỏng yêu cầu. Để bảo đảm an toàn của cơ cấu và khả năng làm việc theo đúng yêu cầu của bình tích áp, ng−ời ta sử dụng các dạng cơ cấu: - Cơ cấu chống trào chất lỏng đ−ợc bơm đến của bình tích áp tải trọng. Cơ cấu gồm tổ hợp các van khứ hồi và van giảm tải của bơm, bơm này dẫn động nhờ cơ khí từ khối tải trọng của bình tích áp và kết nối giữa mạch từ của bơm với thùng chứa của bơm. - Cơ cấu hiệu chỉnh an toàn khi vỡ ống bao gồm khoang chứa van bi, đ−ợc nén bằng trọng lực của khối tải vào lỗ nối ống dẫn với bình tích áp. Khi ống dẫn đến máy bị vỡ, d−ới áp suất của n−ớc van bi đảo chiều sang vị trí khác và đóng kín lỗ dẫn chất lỏng đến máy ép. - Cơ cấu để nén từ từ khối tải lên bệ đỡ, là một van tiết l−u đ−ợc lắp trên đ−ờng ống dẫn đến máy. Khi khối tải trọng của bình tải hạ xuống cữ khống chế chiều cao, đặt ngay trên khối tải qua hệ thống tay gạt nâng các van tiết l−u, van làm điều tiết l−u l−ợng n−ớc chảy ra từ bình tích áp và nhờ đó làm giảm phí tổn của chất lỏng. Sự làm việc của bình tải kéo theo các lực va đập trong hệ thống thuỷ lực do chuyển động năng của khối tải thành năng l−ợng của áp suất chất lỏng. Ưu điểm của bình tải trọng là bảo đảm ổn định áp suất đ−ợc tạo khi quá trình giảm tải của bình khác nhau. Nh−ợc điểm của bình tải trọng là có chiều cao lớn, cần móng lớn và khối tải nặng, có lực va đập thuỷ lực trong hệ thống và khó tăng dung tích công tác bình tích áp. Ngày nay, bình tích áp tải trọng đ−ợc sử dụng khi cần bảo đảm tiêu hao chất lỏng không lớn và áp suất chất lỏng công tác không đổi, không phụ thuộc vào loại bình tích áp. 3.2.2. Bình tích áp khí - thuỷ lực kiểu pittông Bình tích áp khí - thuỷ lực kiểu pittông (hình 3-2) gồm pittông 1, xi lanh khí 2, xi lanh thuỷ lực 3, bình khí 4 và máy nén khí 5. 44
4. Tỷ số giữa diện tích F và diện tích f đ−ợc gọi là hệ số tăng áp K, th−ờng chọn từ 1 đến 100. Khi sử dụng khí nén có áp suất 0,6 - 0,7 MPa, khí nén đ−ợc lấy từ hệ thống khí nén chung của nhà máy. Thể tích khí của bộ tích áp VB , gồm thể tích các bình khí, thể tích cácđ−ờng ống dẫn khí và thể tích phần khoang nằm trên pttông khi pittông nằm ở vị trí trên cùng, đ−ợc tính toán khi biết thể tích VP (VP - thể tích công tác của bình tích áp, nghĩa là thể tích chất lỏng đẩy ra khỏi xi lanh thuỷ lực khi pittông dịch chuyển từ vị trí trên cùng tới vị trí d−ới cùng). Thể tích VB th−ờng đ−ợc chọn xuất phát từ điều kiện sao cho hệ số chênh lệch áp suất cho p − p phép m = max min không Hình 3-2. Bình tích áp khí - Thuỷ lực kiểu pmax pittông v−ợt quá 10 ữ 20%. Khi không khí trong bình tích áp dãn nở, thể tích do khí chiếm sẽ tăng lên một l−ợng là: F SF = V = V K p f p F trong đó: K = f Trạng thái của khí đ−ợc biểu diễn bằng ph−ơng trình: n n pmax VB = pmin (VB + VPK) (3.1) trong đó: pmax, pmin - áp suất không khí ở trên pittông khi pittông ở vị trí trên cùng và d−ới cùng. n - chỉ số đa biến với áp suất 20 MPa và bằng 1,29 đến 1,30. 1 pmax = pmin (3.2) 1 − m Thay pmax từ biểu thức (3.3) vào (3.2) ta nhận đ−ợc ⎛ 1 n ⎞ n pmin ⎜ V ⎟ = pmin ()VB + VPK (3.3) ⎝1 − m B ⎠ Kết quả ta đ−ợc công thức tính VB nh− sau: 45
5. V K V Kn 1 − m V = P = P (3.4) B 1 n −1 1 − 1 − m n 1 − m Nếu n = 1, m = 0,1 và K = 10, ta có VB = 100 VP. Các bình tích áp kiểu pittông có kết cấu t−ơng đối phức tạp, kích th−ớc lớn và th−ờng đ−ợc sử dụng chất lỏng là nhũ t−ơng và dầu khoáng. Ưu điểm của kết cấu đó là chất lỏng công tác có khả năng tạo áp suất lớn, tới 60 ữ 100 MPa. Bình tích áp kiểu pittông không nên sử dụng khi thể tích công tác t−ơng đối nhỏ và áp suất chất lỏng cao. 3.2.3. Bình tích áp khí thuỷ lực kiểu không có pittông Bình tích áp gồm có bình thuỷ lực, trong đó không khí trực tiếp ép lên bề mặt của chất lỏng và các bình khí nén đ−ợc nối với nhau. Hệ số k trong công thức (3.4) với bình tích áp không có pittông có giá trị bằng 1 và thể tích VB đ−ợc tính bằng: VB = 9.VP (3.5) Hình 3-3. Sơ đồ thuỷ lực điều khiển bình tích áp khí thuỷ lực kiểu không có pittông. 1. bình thuỷ lực; 2. bình khí; 3. bộ phân phối điều khiển van mức tối thiểu; 4. van mức tối thiểu; 5. van giảm tải; 6. bộ phân phối điều khiển van giảm tải; 7. tủ thiết bị điện; 8. bộ điều chỉnh thuỷ ngân Trên hình 3.3 trình bày sơ đồ bộ điều khiển bình tích áp khí thuỷ lực kiểu không có pittông. Bên trong bộ điều khiển 8, chứa một l−ợng thuỷ ngân. Khi mức 46
6. chất lỏng trong bình 1 tăng lên, thuỷ ngân sẽ lần l−ợt đóng các tiếp điểm platin ở nửa bên trái của bộ điều khiển 8. Các nam châm điện E1 và E 2 dùng để đóng các tiếp điểm. Khi chất lỏng trong bình thuỷ lực 1 đạt mức trên thì nam châm điện E 2 đóng và bộ phân phối 6 sẽ chuyển các bơm sang làm việc ở chế độ không tải. T−ơng tự nh− vậy, khi chất lỏng đạt mức thấp thì đóng nam châm điện E1 và bộ phân phối 3 sẽ thực hiện việc đóng van mức thấp 4. Hoạt động của bộ điều khiển mức chất lỏng kiểu thuỷ ngân dựa trên cơ sở định luật bình thông nhau. Ph−ơng trình cân bằng chất lỏng đối với cả hai khoang của bộ điều chỉnh có dạng: (H + ∆h)γ = 2 ∆ hγp + (H - ∆h) γB (3.6) trong đó: H- chiều cao mức chất lỏng công tác ở bình thuỷ lực; ∆h - l−ợng dịch chuyển của thuỷ ngân trong bộ điều khiển; γ - trọng l−ợng riêng của chất lỏng công tác; γp - trọng l−ợng riêng của thuỷ ngân; γB - trọng l−ợng riêng của khí quyển ở áp suất p. Ngoài bộ điều khiển kiểu thuỷ ngân ng−ời ta còn sử dụng các bộ điều khiển có cảm biến kiểu cảm ứng từ kiểu điện tiếp xúc. Nh−ợc điểm của bình tích áp kiểu không có pittông là n−ớc bão hoà không khí, điều này làm ảnh h−ởng đến độ bền của các van, bộ phân phối và các thiết bị khác, vì vậy áp suất sử dụng ở bình tích áp kiểu này rất ít khi quá 30 MPa. Các −u điểm của các bình tích áp kiểu không có pittông là thể tích công tác lớn của chất lỏng rất lớn và giảm nguy cơ xuất hiện va đập thủy lực - do không có các chi tiết trung gian giữa không khí và chất lỏng, tổn thất không khí t−ơng đối nhỏ, có khả năng dễ dàng tăng thể tích công tác của máy. Các bình tích áp kiểu không có pittông đ−ợc sử dụng ở các máy cần có thể tích công tác của n−ớc lớn và áp suất ≤ 32 MPa. Khi sử dụng dầu khoáng làm chất lỏng công tác, dầu th−ờng bị oxy hoá do oxy của không khí và sẽ bị mất các tính chất của dầu và có thể tạo nên các hỗn hợp. Ng−ời ta th−ờng sử dụng các bình tích áp dầu - khí có các màng cao su để phân chia dầu và khí, phổ biến dùng khí nitơ. Trong tr−ờng hợp này có thể sử dụng bình tích áp có pittông. 47
7. 3.3. Tính toán thể tích công tác của bình tích áp và l−u l−ợng của bơm Đối với máy ép có động kiểu bơm - bình tích áp độc lập, thì Vp đ−ợc tính theo l−ợng tiêu thụ cực đại có thể của chất lỏng áp suất cao. ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜Sp max ∑FP + s∑FB ⎟ V = ⎝ i ⎠ (3.7) p 0,7 trong đó: SPmax - hành trình công tác cực đại của máy nén khí; ΣFP - diện tích mặt đầu của các pittông công tác; s - hành trình của dầm ngang; ΣFB - diện tích mặt đầu của các pittông trở về; 0,7 - hệ số xét đến tổn thất và l−ợng dự trữ chất lỏng cần thiết. Khi máy ép làm việc với bộ tăng áp trung gian, Vp đ−ợc tính nh− sau: ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜S'pmax ∑ FP + SMFM + s∑ FB ⎟ ⎝ i ⎠ Vp = (3.8) 0,7 trong đó: S'Pmax- hành trình công tác cực đại đên khi đóng bộ tăng áp; SM - hành trình toàn bộ của pittông bộ tăng áp; FM - diện tích của pittông lớn của bộ tăng áp. Ph−ơng pháp tính VP nêu trên đ−ợc sử dụng rộng rãi cho các máy ép tốc độ cao, trong đó tỷ số giữa thời gian hành trình công tác tp chia cho thời gian của toàn chu trình Tcht là nhỏ. Nếu tp gần bằng Tcht thì khi tính thể tích công tác cần phải tính đến l−u l−ợng QH của bơm: V V = H − Q ()t + t (3.9) p 0,7 H p o trong đó: VH - là l−ợng tiêu thụ n−ớc áp suất cao của máy ép trong thời gian một chu trình; t0 - thời gian hành trình đẩy về. L−u l−ợng của bơm QH (l/ph) đ−ợc xác định theo công thức: 48
8. VH.60 QH = (3.10) η0tcht trong đó: 3 VH - l−ợng tiêu thụ n−ớc của máy ép, dm (lít); η0 - hệ số tổn hao thể tích của bơm; Tcht - thời gian một chu trình (giây); Bảng 3-2 Tốc độ của pittông máy ép, khi ép chảy các ống bằng đồng thau và đồng thanh Tốc độ pittông (mm/s) Pittông chính hình trụ Pittông hình trụ bậc Lực ép Hành trình (MN) Hành trình Hành trình Hành trình Hành trình không tải công tác không tải đẩy về công tác và khứ hồi 25 80 200 300 130 350 15 100 250 400 180 400 6 120 350 500 - - Có thể tính toán thể tích công tác của bình tích áp dùng chung cho một nhóm các máy ép, theo ph−ơng pháp của P.S.Istomin, dựa trên cơ sở các số liệu về tốc độ chuyển động của pittông máy ép khi ở các hành trình công tác, không tải và khứ hồi, về chiều dài của phôi đ−ợc gia công và công suất của bơm. Thí dụ, các số liệu về tốc độ chuyển động của pittông máy ép, khi ép chảy các ống bằng bronz và latông đ−ợcliệt kê trong bảng 3-2. Với mỗi loại máy ép, khi biết tốc độ yêu cầu, kích th−ớc của pittông và phôi, ta xác định thời gian chu trình là l−ợng tiêu thụ n−ớc áp suất cao trong một chu trình. Sau đó dựng đồ thị tiêu thụ n−ớc áp suất cao của mỗi máy ép theo thời gian, trên trục hoành là trục thời gian, còn trục tung là trục l−u l−ợng Q (hình 3-4). Thể tích công tác của bình tích áp cần phải có trị số sao cho l−ợng tiêu thụ n−ớc cực đại của n−ớc trong khoảng thời gian tính toán, thì mức n−ớc trong thể tích này không bị giảm quá mức cho phép. Với giả thiết, l−ợng n−ớc đạt đ−ợc l−ợng tiêu thụ lớn nhất khi các công đoạn ép của nhiều máy ép một lúc. Trên cơ sở các đồ thị riêng lẻ về tiêu thụ n−ớc ở các máy ép, ta dựng đồ thị tổng hợp cho các thời điểm bắt đầu ép trùng nhau. Từ đồ thị tổng hợp của l−ợng tiêu thụ, ta xác định l−ợng tiêu thụ n−ớc cực đại Vmax , trong chu kỳ đã định tmax, bằng thời gian nạp đầy bình tích áp. 49
9. Hình 3-4. Các đồ thị l−ợng tiêu thụ n−ớc áp suất cao L−u l−ợng cần thiết của các bơm có thể đ−ợc xác định nh− sau. Nếu với máy ép 1, l−ợng tiêu thụ n−ớc áp suất cao cho 1 chu trình Tcht1 là V1 và nếu có n1 máy ép, thì l−u l−ợng cần thiết của các bơm là. V1n1.60 Q1 = (lít/phút) (3.11) t cht1 T−ơng tự, ta tính đ−ợc l−u l−ợng của các bơm để cho các máy ép khác: - Tổng l−u l−ợng của các bơm: Q = ΣQi. - Thể tích công tác của bình tích áp: VP = Vmax - Qtmax (3.12) Nên để sao cho việc nạp thể tích công tác của bình tích áp đ−ợc thực hiện trong thời gian không hơn 20 - 30 giây và không v−ợt quá 90 - 120 giây. Điều này cho ta khả năng ngắt các bơm nếu nh− các aptomat không làm việc. Sử dụng lý thuyết xác suất trong tính toán thể tích công tác của bình tích áp đối với một nhóm các máy ép. Ph−ơng pháp này sẽ hợp lý nhất khi áp dụng cho 50
10. tr−ờng hợp cấp chất lỏng cho một nhóm các máy ép nh− nhau từ một bình tích áp. Theo ph−ơng pháp của P.S.Istomin, thể tích VP nhận đ−ợc sẽ tăng lên, vì xác suất toán học là tỷ số giữa số l−ợng các tr−ờng hợp xuất hiện các sự kiện theo ý muốn, chia cho tổng số các tr−ờng hợp. Xác suất sự kiện hỗn hợp đ−ợc đặc tr−ng bởi dấu hiệu chung cho một số sự kiện riêng (nh−ng không trùng nhau), bằng tổng các xác suất của các sự kiện này (định lý về cộng xác suất). Xác suất để sao cho sự kiện 1 và sự kiện 2 xảy ra đồng thời bằng tích của các xác suất riêng (định lý nhân xác suất). Giả thiết tổng quát ta có M máy ép (các máy ép không giống nhau), mỗi máy ép sẽ lấy n−ớc áp suất cao trong khoảng thời gian ti và có thời gian toàn bộ chu trình là Ti. Xác suất lấy n−ớc của máy ép thứ nhất: t1 P1 = T1 Theo định lý về tích xác suất, ta có xác suất lấy n−ớc đồng thời của tất cả các máy ép: P = P1. P2 Pm (3.13) Xét tr−ờng hợp khi trong x−ởng có M máy ép giống nhau làm việc, thời gian lấy n−ớc cho mỗi máy ép là t và thời gian toàn bộ chu trình của mỗi máy là T giây. Ta xác định xác suất lấy n−ớc của K máy ép trong tổng số M máy ép đang làm việc. Xác suất để ở bất kỳ thời điểm nào có K máy ép cùng lấy n−ớc: K K PM = P (3.14) Xác suất để ở bất kỳ thời điểm nào có K máy ép trong số M cùng lấy n−ớc, còn (M - K) máy không lấy n−ớc là: T − t K M−K = 1− P ; P (1 − P) T Đối với bài toán ở đây thì K máy nào trong số M máy sẽ lấy n−ớc. Ta nhận đ−ợc số l−ợng các nhóm có K máy từ M máy sẽ là số các tổ hợp của M theo K K nghĩa là CM . Xác suất chung để sao cho trong bất kỳ thời điểm nào cũng có K máy ép nào đó trong số M máy, cùng lấy n−ớc áp suất cao, còn M - K máy sẽ không lấy n−ớc: K K M−K PM = P (1− P) (3.15) Thể tích công tác của bình tích áp có thể nhỏ hơn l−ợng tiêu thụ có thể về chất lỏng của tất cả các máy ép: 51
11. VP =η∂ Vmax (3.16) trong đó: η∂ - hệ số sử dụng đồng thời hoặc trùng nhau (cho biết khoảng bao nhiêu máy ép ta cần dự kiến khi tính toán); Vmax - thể tích n−ớc áp suất cao đ−ợc các máy ép lấy. Ta xác định thời gian xác suất làm việc đồng thời của 1,2,3 các máy ép trong tổng số M máy, trong một ca làm việc (420 phút): K K M−K PM = 420P (1 − P) (3.17) trong đó: P - thời gian hoạt động t−ơng đối trung bình của mỗi máy ép: tp + t0 P = T Tính bình tích áp để đảm bảo cho số l−ợng K máy ép nào đó, trong tổng số M máy, để sao cho khi có sự cố ngắt cung cấp chất lỏng áp suất cao có thể xẩy ra, sẽ không làm ảnh h−ởng nhiều tới công việc của x−ởng. Thí dụ: Trong x−ởng có lắp 6 máy ép có đặc tính gần giống nhau t + t P = ∑ P ∑ 0 = 0,15 ∑T Xác định hệ số trùng nhau. Công thức để tính toán và kết quả của nó đ−ợc đ−a trong bảng 3.3. Trong tr−ờng hợp đã cho thì tích bình tích áp đ−ợc tính cho 4 máy ép. 4 η = = 0,67 ∂ 6 Bởi vì, thời gian làm việc đồng thời của 5 máy (0,164 phút) thực tế là không thể gây ra sự gián đoạn hoạt động của x−ởng. Trong tr−ờng hợp đã cho thì thể tích bình tích áp đ−ợc tính cho 4 máy ép, do thời gian làm việc đồng thời của 5 máy là 0,164 phút, thực tế sẽ không thể gây ra sự gián đoạn hoạt động của x−ởng. Vì vậy η = 4/6 = 0,67. Thể tích phần hình trụ của bình thuỷ lực của bình tích áp kiểu không có pittông của thể tích công tác là Vp, thể tích an toàn phía d−ới là VH.a.o và thể tích dự trữ ở trên là VB.P.O. Thể tích dự trữ trên (lít) đ−ợc xác định từ điều kiện làm việc của van giảm tải của bơm: Q V = v Ft = H t (3.18) BPO n pa3Γ 60 pa3Γ trong đó: vn - vận tốc tăng mức chất lỏng trong bình tích áp (dm/s); 52
12. F - diện tích tiết diện chất lỏng trong bình (dm2), Tpa3Γ - thời gian làm việc của van giảm tải của bơm, th−ờng lấy bằng 3-5 giây; QH - l−u l−ợng của bơm (lít/ph); Bảng 3-3 Xác định số máy ép cho phép Số l−ợng các máy ép làm CK PK (1 − P)M−K τK , Phút việc đồng thời M M 0 0 6 0 C6P (1− P) = 0,37715 159,0 1 1 5 1 C6P (1− P) = 0,399333 167,7 2 2 4 2 C6P (1− P) = 0,17618 73,8 3 3 3 3 C6P (1− P) = 0,04145 17,4 4 4 2 4 C6 P (1− P) = 0,0549 2,3 5 5 1 5 C6P (1− P) = 0,00039 0,164 6 6 0 6 C6P (1− P) = 0,00001 0,004 Cần có thể tích an toàn d−ới để không xảy ra hết kiệt chất lỏng ở trong bình tích áp và gây ra sự lọt khí áp suất cao vào hệ thống của máy ép. Việc xác định thể tích này đ−ợc tiến hành từ điều kiện làm việc của van mức tối thiểu. VH.a.o = v0FtM (3.19) trong đó: v0 - vận tốc giảm mức chất lỏng trong bình tích áp, theo các số liệu thí nghiệm không đ−ợc v−ợt quá 2,5 m/s. tM - thời gian đóng van mức tối thiểu, lấy bằng 3-5 giây. Thùng chứa của bơm (hình 3.5) cần có kích th−ớc đủ để tiếp nhận chất lỏng chứa trong các xi lanh công tác và xi lanh đẩy về (V1 + V2), chứa trong bình tích áp (V3) và thùng nạp (V4). Thể tích thùng chứa của bơm: VHao = 1,5 (V1 + V2 + V3 + V4) (3.20) áp suất chất lỏng trong thùng chứa của bơm th−ờng bằng áp suất khí quyển. Các thùng chứa của bơm th−ờng đ−ợc làm từ thép 10, 20, theo kiểu hàn. Các 53
13. thùng này đ−ợc đặt ở vị trí cao nhất theo kết cấu khung nhà chứa trạm bơm - bình tích áp cho phép, nhằm đảm bảo cột áp cần thiết trên đ−ờng ống hút của bơm. Các thành dọc của các thùng chứa kích th−ớc lớn (hình 3-5), bên trong đ−ợc liên kết bằng các tấm ngang có khoét lỗ ở các vị trí đối nhau. Các ống ở trong thùng chứa Hình 3-5. Thùng chứa của bơm của bơm, ống từ thùng nạp và ống dẫn đến các bơm, đ−ợc bố trí ở các phía đối diện nhau của thùng. Nh− vậy, chất lỏng phải đi con đ−ờng zíc zắc và sẽ đảm bảo khả năng loại bỏ l−ợng không khí hoà tan, cùng các cặn bẩn lẫn trong chất lỏng. 3.4. Tính toán động lực học máy ép dẫn động bằng bơm có bình tích áp Hành trình công tác của dầm ngang có ý nghĩa lớn trong việc quyết định tính thích hợp về mặt công nghệ của máy ép. Hoạt động của máy ép thuỷ lực trong thời gian hành trình công tác đ−ợc thấy rõ trên hình 3-6a. Hệ số cản quy dẫn của đ−ờng ống xi lanh công tác đ−ợc xác định từ công thức: ⎛ n n ⎞ 2⎜ li 1 1 ⎟ ζp = Fp ∑λ + ∑ζi (3.21) ⎜ d 2 2 ⎟ ⎝i=1 i Fi i=1 Fi ⎠ trong đó: Fp - diện tích của pittông công tác; λ - hệ số tổn thất ma sát đ−ờng ống, đối với n−ớc nhũ t−ơng th−ờng lấy bằng 0,03; li - chiều dài đoạn đ−ờng ống; di - đ−ờng kính trong của đoạn đ−ờng ống; Fi - diện tích tiết diện ngang đoạn đ−ờng ống; I - số thứ tự của đoạn đ−ờng ống hoặc là sức cản cục bộ; n - là số đoạn đ−ờng ống hoặc vị trí cục bộ; 54
14. ζi - hệ số sức cản cục bộ. Chiều dài quy dẫn đ−ờng ống của xi lanh công tác đ−ợc xác định từ biểu thức: n Fp Lp = ∑ li i=1 Fi T−ơng tự, ta có thể tìm các hệ sức cản quy dẫn ζB, ζy và chiều dài đ−ờng ống LB, Ly của xi lanh trở về và xi lanh cân bằng. Hình 3-6. Hoạt động của máy ép theo thời gian a- hành trình công tác; b - hành trình không tải; c- hành trình đẩy về; P- xi lanh công tác; B- xi lanh khứ hồi; H - thùng nạp; A - bình tích áp Trên các phần chuyển động của máy ép trong hành trình công tác có các lực tác dụng sau đây: khối l−ợng G, áp lực n−ớc lên pittông công tác ppFp, lực ma sát R1 trong các đệm kín của xi lanh và phần dẫn h−ớng của dầm ngang di động, lực cản của phôi R(x) = Kx + R0 (R0 - lực cản ban đầu của phôi); áp suất n−ớc lên pittông cân bằng (pyFy) và lên pittông đẩy về (pBFB). Gốc tọa độ t−ơng ứng với điểm bắt đầu hành trình công tác (điểm O), chiều d−ơng của trục 0x ta chọn theo chiều chuyển động của dầm ngang máy ép. Chấp nhận các giả thiết: các van điều khiển đ−ợc mở với tiết diện không đổi, chất lỏng bị nén, máy ép và đ−ờng ống là cứng tuyệt đối, cột áp ở trong bình tích áp và thùng chứa chính là không đổi, giá trị tốc độ cột áp và vị trí cột áp là vô cùng nhỏ. 55
15. Sử dụng các ký hiệu đã có, ta viết ph−ơng trình chuyển động dầm ngang máy ép nh− sau: d 2x m = ppFp + G − R1 − R()x − pyFy − pBFB (3.22) dt 2 Để xác định áp suất của chất lỏng trong xi lanh t−ơng ứng, sử dụng ph−ơng trình Becnuly đối với chuyển động không ổn định. Với đ−ờng dẫn của xi lanh công tác, ta chọn một tiết diện trên bề mặt chất lỏng trong bình tích áp, còn tiết diện thứ hai là trên bề mặt của pittông công tác, khi đó: 2 2 vn γLp d x pp = pa − ζpγ − (3.23) 2g g dt2 trong đó: Pa - áp suất trong bình tích áp. T−ơng tự, nh− ph−ơng trình (3.23), ta viết ph−ơng trình cho chuyển động của chất lỏng ở các xilanh khứ hồi và xi lanh cân bằng: 2 2 vn γLB d x pB = pH + ζBγ + (3.24) 2g g dt 2 2 2 vn γL y d x py = pa + ζ yBγ + (3.25) 2g g dt 2 Thay các ph−ơng trình (3.23) ữ (3.25) vào ph−ơng trình (3.22) và sau khi chia cả hai vế cho FPγ. Ta nhận đ−ợc: 2 2 p v Lp d x G R K R a − ζ n − + − 1 − x − 0 - p 2 γ 2g g dt Fpγ Fpγ Fpγ Fpγ 2 2 p Fy Fy v L y Fy d x p F − a − ζ n − − H B − y 2 γ Fp Fp 2g g Fp dt γ Fp F v2 L F d2x m d 2x − ζ B n − B B = (3.26) B 2 2 Fp 2g g Fp dt Fpγ dt Để làm đơn giản cho các tính toán tiếp theo ở biểu thức cuối cùng, ta dùng các ký hiệu sau: m Lp L y Fy Fy L F M = + + + B B (3.27) Fpγ g g g Fb g Fp Fy FB ζn = ζp + ζy + ζB (3.27') Fp Fp 56
16. G PaFy pHFB R1 R0 ∆p = pa + − − − − (3.28) Fp Fp Fp FP Fp Hệ số của x trong biểu thức (3.26), ký hiệu là: K C = Fpγ Thay vào biểu thức (3.26) các giá trị M, ζn, ∆p và C nhận đ−ợc: dv v2 ∆p M n + ζ n + Cx − = 0 (3.29) dt n 2g γ trong đó: M - đặc tr−ng cho quán tính của hệ thống; ζn - hệ số tổn hao ma sát khi chất lỏng chuyển động; ∆p - áp suất để tạo tốc cho dầm ngang. Khi trở lực biến dạng của phôi là không đổi, thì ph−ơng trình chuyển động của dầm (3.29) có thể viết là: dv v2 ∆p M n + ζ n − = 0 (3.30) dt n 2g γ Thực tế là trở lực biến dạng không đổi trên phần lớn độ dài của hành trình công tác của các quá trình kiểu ép, chuốt, đột Nếu nh− chuyển động pittông máy ép với trở lực biến dạng không đổi của dv phôi là chuyển động ổn định thì n = 0 và vận tốc chuyển động là: dt ∆p 2g U = (3.31) γ ζn Thay giá trị ∆p từ biểu thức (3.31) vào công thức (3.30) nhận đ−ợc: dv v2 u2 M n + ζ n − ζ = 0 (3.32) dt n 2g n 2g Sau khi biến đổi và lấy tích phân biểu thức (58) ta có: M2g 1 u + v t = . .ln n + C (3.33) ζ 2u u − vn trong đó: C = 0; vì khi t = 0 thì Vn = 0. Ký hiệu: Mg τ = (3.34) ζnu 57
17. Và thay τ vào biểu thức (3.33) nhận đ−ợc : t e τ −1 v = u (3.36) n t e τ + 1 Thực tế, ng−ời ta chấp nhận tốc độ vn đạt đ−ợc trị số ổn định khi t = 4π. Thời gian t1 t−ơng ứng với vn = 0,96 u, th−ờng trị số t1 của các máy ép thủy lực rất nhỏ (nhỏ hơn 0,1 thậm chí cả khi lực tăng đột ngột từ 0 tới 0,5 PH). Công thức (3.31) của chuyển động ổn định có thể sử dụng để tính toán tốc độ của máy ép trong hành trình công tác. Xét sự thay đổi của u phụ thuộc vào các trở lực biến dạng khác nhau của phôi. Ký hiệu: G paFy pnFB R1 ∆p0 = pa + − − − (3.37) Fp Fp Fp Fp R0 ∆P0 2g Nếu = 0 thì u0 = . = umax Fp γ ζn R0 ∆P0 2g Nếu = 0,5.∆p0 thì u0,5 = . = 0,7umax Fp γ ζn R0 ∆P0 2g Nếu = 0,75.∆p0 thì u0,75 = . = 0,5umax Fp 4γ ζn R0 Trong tr−ờng hợp, khi = ∆p0 , có nghĩa là với các điều kiện gần điều Fp kiện định mức, thì tốc độ dầm ngang máy ép bằng 0. Ta xác định tỷ lệ giữa u và pp (pp - áp suất trong xi lanh công tác, t−ơng ứng hành trình công tác), khi mà công suất của máy ép đạt cực đại: 2 pp ≈ pa − Ku Nếu coi nh− pa = ∆p0 , điều mà thực tế hoàn toàn cho phép công suất của máy ép là: 2 N = uppFp = u(pa − Ku )Fp dN 2 = (pa − 3Ku )Fp = 0 du Nh− vậy: Ku2 = Pa/3 58
18. 2 p = p − Ku2 = p (3.38) p a 3 a Máy ép có thể đạt công suất cực đại, khi lực máy phải thắng gần bằng trở lực biến dạng của phôi, bằng 2/3 lực ép danh nghĩa của máy ép. 3.4.1. Hành trình không tải của máy ép Sơ đồ tính toán của máy ép thủy lực khi hành trình không tải đ−ợc trình bày ở hình 3-6.b. Chiều d−ơng của trục x là chiều h−ớng xuống d−ới. Điểm 0 là điểm đầu tính toán, là vị trí bắt đầu của dầm ngang khi hành trình không tải. Trên phần chuyển động của máy ép có các lực sau đây tác dụng: trọng l−ợng G của phần chuyển động, áp suất n−ớc trong xi lanh công tác (ppFp ), áp suất trong xi lanh khứ hồi ( pB FB ), trong xi lanh cân bằng ( pyFy ) và các lực ma sát. R1 = RH + Rms trong đó: RH - lực cản ma sát ở phần dẫn h−ớng của dầm ngang chuyển động khi hành trình không tải; Rms: lực cản ma sát ở phần đệm kín của xi lanh KPi Rms = Di trong đó: K - 0,1 đối với đệm vòng tự làm kín, K ≈ 0,6 ữ 0,7 đối với đệm tự bung; Pi - lực của pittông tạo ra (dN); Di - đ−ờng kính pittông (cm). Ph−ơng trình chuyển động của dầm ngang có dạng: d 2x m = ppFp + G − pBFB − pyFy − R1 (3.39) dt 2 Để có thể sử dụng đ−ợc ph−ơng trình Becnuli với chuyển động không ổn định ở đ−ờng ống dẫn từ thùng nạp đến xi lanh công tác, lấy một mặt cắt trên bề mặt chất lỏng ở thùng nạp, còn mặt cắt kia ở trên pittông công tác: 2 2 vn Lp d x pp = pH − ζpγ − γ − ∆zpγ (3.40) 2g g dt2 trong đó: PH - áp suất ở thùng nạp. Bỏ qua cột áp do tốc độ tạo ra, t−ơng tự nh− trên nhận đ−ợc: 59
19. 2 2 vn LB d x pB = pH + ζBγ + γ + ∆zBγ (3.41) 2g g dt2 2 2 vn L y d x py = pa + ζ y γ + γ (3.42) 2g g dt2 Thay các biểu thức (3.39) - (3.41) vào (3.38) chia cả hai vế cho γFp và ký hiệu: m Lp L F L y Fy M = + + B B + Fpγ g g Fp g Fp FB Fy ζn = ζp + ζB + ζ y FP FP G FB Fy FB R1 ∆p = pH + − pH − Pa − ∆ZBγ − Fp FP FP Fp Fp ∆p = const ta đ−ợc: dv v2 ∆p M n + ζ n − = 0 (3.43) dt n 2g γ Ph−ơng trình (3.42) cho hành trình không tải, về mặt cấu trúc trùng với ph−ơng trình cho hành trình công tác khi sức cản của phôi không đổi, nh−ng các trị số của M, ζn, ∆p ở đây có ý nghĩa khác. Nh− tính toán đã cho thấy, thời gian tốc tốc t1 không v−ợt quá 0,01s. Vì thời gian tăng tốc nhỏ, nên khi tính toán tốc độ của hành trình không tải có thể sử dụng công thức (3.31). Tốc độ u có thể tăng bằng cách tăng áp suất ở thùng nạp, tăng khối l−ợng các phần chuyển động của máy ép, giảm lực cản trên đ−ờng dẫn thùng nạp - xi lanh công tác. Có thể giảm tốc độ u bằng cách tăng lực cản ở đ−ờng dẫn xi lanh đẩy về và bằng cách sử dụng các xi lanh cân bằng. Để máy ép hoạt động bình th−ờng, khi tính toán hành trình không tải cần chú ý tới đặc tính thay đổi áp suất ở xi lanh công tác. áp suất chất lỏng giảm đến 0 dẫn đến sự gián đoạn dòng chất lỏng và gây sự hút khí ở ngoài môi tr−ờng vào xi lanh. Điều kiện để không bị gián đoạn dòng chất lỏng: pp ≥ 0 (3.44) trong đó: pp - áp suất d− trong xi lanh công tác. 60
20. Tốc độ cực đại của hành trình không tải đạt đ−ợc khi ở chế độ ổn định: u2 pp = pH − γζp − ∆zpγ ≥ 0 (3.45) 2g Trong đó tốc độ u đ−ợc xác định theo công thức (3.31). Có thể ngăn sự gián đoạn của dòng chảy bằng cách đặt thùng nạp trung gian ở gần máy ép hoặc thùng nạp chính gần máy ép, bằng cách tăng đ−ờng kính các xi lanh cân bằng, tăng áp suất ở thùng nạp, tăng tiết diện của đ−ờng ống nạp nhờ đặt bộ van tiết l−u một chiều trên tuyến của các xi lanh đẩy về. 3.4.2. Hành trình đẩy về của máy ép Khi dầm ngang đẩy về, n−ớc từ trong xi lanh công tác trở lại thùng nạp qua van xả của bộ phận phối và qua van nạp của xi lanh công tác. L−ợng n−ớc đi qua van xả của bộ phân phối n−ớc, th−ờng chiếm khoảng ít hơn 7% tổng hợp n−ớc đ−ợc đẩy ra khỏi xi lanh công tác. Vì vậy, điều kiện tính toán là n−ớc đ−ợc đẩy ra chỉ qua van nạp. Sơ đồ tính toán máy ép thuỷ lực đối với hành trình đẩy về đ−ợc trình bày trên hình 3-6.c. Chiều d−ơng của trục x ta lấy là chiều h−ớng trên. Trên các phần chuyển động của máy ép khi hành trình đẩy về có các lực tác dụng sau đây: lực cản có ích R0, trọng l−ợng G, áp suất n−ớc lên xi lanh công tác ( p p Fp ), lên pittông khứ hồi ( pB FB ) và lên pittông cân bằng ( p y Fy ), lực ma sát ở các đệm kín của xi lanh Rms và ở phần dẫn h−ớng RH mà ta coi bằng 0. Trên cơ sở định luật 2 của động lực học ta có: d 2x m = pBFB + pyFy − ppFp − G − Ro − Rms (3.46) dt2 Khi hành trình đẩy về, cũng nh− khi hành trình công tác của máy ép, ta bỏ qua cột áp tốc độ và cột áp vị trí đối với các xi lanh khứ hồi và cân bằng. Sử dụng ph−ơng trình Becnuli đối với chuyển không ổn định, ta tìm các áp suất pp , pB , và py . Sau khi thay trị số của các áp suất này vào ph−ơng trình (3.46) và ký hiệu: m Lp L F L y Fy M = + + B . B + Fpγ g g Fp g Fp FB Fy ζ π = ζP + ζB + ζ y Fp FB FB Fy G + R0 + Rms ∆p = pa + pa − pH + ∆zpγ − Fp Fp Fp 61
21. ∆p = const và qua một vài phép biến đổi ta nhận đ−ợc ph−ơng trình dv v2 ∆p M n + ζ n − = 0 (3.47) dt n 2g γ dv Nếu khi chuyển động là ổn định ( n = 0 ) khi đó tốc độ chuyển động của dt dầm ngang đ−ợc biểu thị bằng ph−ơng trình (3.31). Bởi vì, các quá trình của dầm ngang xảy ra rất nhanh, cho nên để xác định tốc độ của dầm ngang ở hành trình đẩy về có thể sử dụng công thức (3.31). Tốc độ u có thể tăng bằng cách tăng áp suất trong bình tích áp, tăng diện tích của các xilanh đẩy về và xilanh cân bằng hoặc là giảm sức cản ở tuyến xilanh công tác - thùng nạp. 3.5. Kết cấu và tính toán các chi tiết của hệ thống nạp Các thiết bị nạp bao gồm: thùng nạp, đ−ợc bố trí ở gần máy ép hoặc trên xilanh công tác. Để tạo áp suất lên chất lỏng, th−ờng ng−ời ta sử dụng hệ thống khí nén của nhà máy, áp suất 0,6 ữ 0,8 MPa. Van nạp nối xilanh công tác với thùng nạp. Thể tích toàn bộ của n−ớc trong thùng nạp Vσ đ−ợc xác định, xuất phát từ thể tích n−ớc Vp do các pittông công tác đẩy ra sau một hành trình toàn bộ. Nhằm ngăn ngừa sự lọt khí từ thùng nạp vào đ−ờng ống dẫn đến van nạp th−ờng lấy Vσ = (2-2,25)Vp. Giả sử, áp suất không khí trong thùng nạp khi tiêu thụ chất lỏng đ−ợc thay đổi theo quy luật đẳng nhiệt: pVB = const trong đó: VB - thể tích ban đầu của không khí trong thùng chứa. áp suất không khí sau khi loại trừ thể tích Vp sẽ bị giảm xuống và ng−ời ta lấy pmin = 0,75max. Sự thay đổi trạng thái không khí đ−ợc biểu diễn bằng công thức: pmin(VB +Vp) = pmaxVB (3.48) Từ đó, thu đ−ợc: VB = 3Vp . Thể tích toàn bộ VH của thùng nạp VH = (2ữ2,5)Vp + 3Vp = (5ữ5,5)Vp (3.49) 62
22. Các thùng nạp đ−ợc chế tạo theo kiểu hàn từ thép tấm: độ dày của phần hình trụ và phần hình cầu th−ờng không nhỏ hơn 8mm. Độ dày của thành đ−ợc tính theo các thông số nh− tính chiều dày nồi hơi. Để khử va đập khi đầu búa chạm phôi, trên đ−ờng nạp tr−ớc máy ép, ng−ời ta lắp bộ bù va đập thuỷ lực, có thùng nạp đ−ợc lắp van bảo hiểm lò xo, ống đo mức n−ớc, đồng hồ áp suất và ba van (van xả, van để dẫn n−ớc từ đ−ờng ống n−ớc và van để dẫn khí nén). Để ngắt thùng nạp vị trí nối với máy ép, ng−ời ta đặt van chặn một chiều trên đ−ờng ống nạp, dùng để ngắt thùng nạp ra khỏi máy ép và nếu cần thiết sẽ chuyển n−ớc từ xilanh công tác về thùng nạp. Để đ−a l−ợng n−ớc thừa về thùng bơm, ở thùng nạp có van thoát dầu đ−ợc điều chỉnh ở áp suất nhỏ hơn 0,2MPa so với áp suất mà van an toàn của thùng nạp sẽ làm việc. Sơ đồ của van thoát dầu đ−ợc trình bầy ở hình 3-7. Chất lỏng từ thùng nạp theo đ−ờng ống A đến khoang ở d−ới van 5 và lỗ tiết l−u 1 - vào khoang trên van 5. Vật nặng 3 sẽ giữ áp suất đã định Hình 3-7. Van thoát dầu thông qua van 2 có kích th−ớc nhỏ, đ−ợc nối với pittông 4. Khi áp suất v−ợt qua mức chênh áp trên van 5 và d−ới van 5, nó sẽ làm nâng van và chuyển chất lỏng từ thùng nạp về thùng bơm qua đ−ờng ống B. Khi giảm áp suất trong thùng van nạp, van 2 đ−ợc đóng lại và van chính 5 cũng sẽ đóng lại trên đế van. Van chuyển đ−ợc điều khiển bằng sự thay đổi mức n−ớc trong thùng nạp, có thể đ−ợc sử dụng để thay thế van đ−ợc điều khiển bằng áp suất. Sơ đồ nguyên lý của van đ−ợc trình bày trên hình 2-1. Van gồm có van nạp 2 và dẫn động thủy lực 3 để nâng van. Dẫn động đ−ợc nối với đ−ờng của xilanh đẩy về. Để hỗ trợ mở van nạp, đôi khi ng−ời ta còn làm van nạp có thêm van phụ giảm tải có tiết diện nhỏ. Tiết diện l−u thông của van nạp đ−ợc tính theo tốc độ hành trình không tải vxx cho tr−ớc và theo tốc độ chọn tr−ớc vH.K của dòng chất lỏng trong tiết diện l−u thông của van nạp khi nó đ−ợc mở hoàn toàn 63
23. F.v f = x.x (3.50) vH.K trong đó: F - diện tích của pittông công tác, vx.x - th−ờng khoảng 300 ữ 400mm/s, vH.K - không quá 6-7 m/s. Vì vậy, ở giai đoạn thiết kế ban đầu th−ờng ng−ời ta lấy: f = 0,05F (3.51) Sau khi chọn các kích th−ớc của đ−ờng nạp, ng−ời ta tiến hành tính toán kiểm tra động lực học của hành trình không tải. Thân vỏ của van nạp đ−ợc làm từ thép 45, còn van đ−ợc làm từ thép không gỉ. 64