Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 4: Máy ép thuỷ lực dẫn động tăng áp và hiệu suất của hệ thống thuỷ lực máy ép

Nội dung text: Giáo trình Máy ép thủy lực - Chương 4: Máy ép thuỷ lực dẫn động tăng áp và hiệu suất của hệ thống thuỷ lực máy ép

1. Ch−ơng 4 máy ép thuỷ lực dẫn động tăng áp và hiệu suất của hệ thống thuỷ lực máy ép 4.1. Các loại thiết bị máy ép thuỷ lực Trong các máy ép thuỷ lực dẫn động có tăng áp, bộ phận tạo chất lỏng áp suất cao gọi là bộ tăng áp. Các bộ tăng áp có thể chia làm hai loại chính: loại khí - thuỷ lực và loại cơ khí. Sơ đồ máy ép thuỷ lực có bộ tăng áp thuỷ lực đ−ợc trình bày ở hình 4-1. Kiểu máy này có hiệu suất rất thấp (≈ 2%), nên ít đ−ợc sử dụng, hiện nay đã ngừng sản suất loại máy này. Hình 4-1. Máy ép hơi - thuỷ lực 1-6. van; 7. van tràn; 8. van con tr−ợt; 9. thùng chứa; 10. thùng bơm; 11. bộ tăng áp hơi thuỷ lực; 12. bộ điều khiển chứa van phân phối; 13. hộp phân phối 65
2. Trong các cụm tăng áp khí, dẫn động máy ép rèn thuỷ lực tăng áp có trục khuỷu đ−ợc sử dụng rộng rãi nhất - đó là tăng áp một xi lanh tác động trực tiếp không có van. Thể tích chất lỏng đ−ợc pittông của nó đẩy ra sau một hành trình đúng bằng thể tích chất lỏng áp suất cao máy ép yêu cầu ở một hành trình. Số l−ợng hành trình công tác của máy ép bằng số vòng quay của trục khuỷu bộ tăng áp và bằng 30 + 120v/ph (phụ thuộc vào lực ép danh nghĩa của máy ép). Ng−ời ta chế tạo máy ép có bộ tăng áp trục khuỷu với lực ép tới 15 MN. Trên hình 4.2 trình bày sơ đồ điều khiển máy ép có dẫn động từ bộ tăng áp trục khuỷu. Hình 4-2. Sơ đồ điều khiển máy ép có bộ tăng áp kiểu trục khuỷu 1ữ3. các van của bộ phân phối; 4. bộ tăng áp kiểu trục khuỷu; 5. thùng bơm; 6. bình tích áp không có pittông (th−ờng tính cho áp suất 6ữ7MPa); 7. bơm kiểu pittông - trục khuỷu để nạp cho bình tích áp; 8. khớp nối để đóng bộ tăng áp; 9. bánh đà; 10. động cơ điện; 11. bộ phân phối 66
3. áp suất chất lỏng do bộ tăng áp có thể tạo ra th−ờng vào khoảng 40 ữ 50 MN/m2 (400 – 500 kG/cm2). Khi xà di động dịch chuyển xuống d−ới, n−ớc đ−ợc dẫn từ bình tích áp qua van 1 đến xi lanh công tác (tay quay ở vị trí I). Các xi lanh đẩy về đ−ợc nối th−ờng xuyên với bình tích áp. Lực không đổi của các xi lanh hồi sẽ đ−ợc triệt tiêu bằng lực ép của xi lanh công tác khi hành trình xuống d−ới, lực ép này sẽ đ−ợc đặt sao cho lớn hơn một ít so với lực ép danh nghĩa. Sự dịch chuyển đầu tr−ợt lên trên đ−ợc thực hiện bằng việc xả n−ớc từ xi lanh công tác về thùng bơm (vị trí II của tay quay), khi đó van 2 mở. N−ớc từ bình tích áp để dịch chuyển xà di động th−ờng không đ−ợc dẫn đến khi bộ tăng áp làm việc trong thời gian đầu tr−ợt ép vào kim loại. Khi ở vị trí II của tay quay thì van một chiều 3 của bộ phân phối 11 không cho phép chuyển n−ớc áp suất cao từ xi lanh công tác về bình tích áp. Bơm 7 sẽ nạp cho bình tích áp, việc đóng bơm sẽ đ−ợc thực hiện tự động bằng van giảm tải. Bằng việc đóng và ngắt khớp nối 8 có thể nhận đ−ợc các hành trình đơn giản của máy ép. Khi chuốt thì công suất của động cơ điện dẫn động là (kW): N = Pen/(60η ) trong đó: P - lực ép công tác lớn nhất khi chuốt (kN) e - độ sâu ép, t−ơng ứng với hành trình đã định và vào khoảng 40 - 50% hành trình lắc (m) n - số l−ợng hành trình trong một phút, bằng số vòng quay của trục khuỷu η - hệ số có ích có xét đến tổn thất ma sát, tổn thất thuỷ động, tổn thất do rò rỉ, tổn thất về thể tích, ở các tính toán gần đúng th−ờng lấy bằng 0,8. Trong đa số các tr−ờng hợp, máy ép th−ờng làm việc với công suất thấp nên cho phép động cơ điện quá tải. Các vật liệu sử dụng để chế tạo các chi tiết của bộ tăng áp kiểu trục khuỷu và ph−ơng pháp tính toán cũng tính toán cũng t−ơng tự nh− đối với các chi tiết của bơm pittông - trục khuỷu. Kiểu dẫn động đã xét đ−ợc sử dụng cho máy ép rèn, đa số th−ờng dùng để thực hiện các nguyen công vuốt và chỉnh tinh khác mà yêu cầu số l−ợng lớn các hành trình ở trong một đơn vị thời gian và có vị trí nhất định của đầu búa ở cuối hành trình công tác. 67
4. 4.2. Các bộ tăng áp thuỷ lực Bộ tăng áp thuỷ lực đảm bảo cung cấp cho xi lanh máy ép chất lỏng áp suất cao hơn so với chất lỏng từ bình tích áp hoặc từ bơm. Các bộ tăng áp này có hai loại chính: hoạt động không liên tục và hoạt động liên tục. Sơ đồ bộ tăng áp hoạt động không liên tục đ−ợc chỉ ra trên hình 4-3.a. Nếu các xi lanh đẩy về là loại đ−ợc điều khiển, thì hệ số tăng áp là: 2 2 K = ηM DH /DB trong đó: η M - hệ số tổn thất cơ khí, bằng ~ 0,95. DH - đ−ờng kính pittông áp suất thấp. DB - đ−ờng kính pittông áp suất cao. Hình 4-3. Các bộ tăng áp thuỷ lực 1. xi lanh áp suất thấp; 2. pittông áp suất thấp kết hợp làm xi lanh áp suất cao; 3. pittông áp suất cao; 4. xà ngang cố định; 5. xà ngang di động; 6. các xi lanh đẩy về; 7. pittông có pittông áp suất cao; 8. vạn hút; 9. xi lanh áp suất cao; 10. van đẩy; 11. công tắc; 12. thanh điều khiển đ−ợc nối với hành trình, có điều khiển bằng nam châm điện; H. cấp dầu từ bơm; C. cấp dầu vào hệ thống. Hành trình tăng áp HM và đ−ờng kính pittông áp suất cao đ−ợc xác định xuất phát từ thể tích chất lỏng V cần và tính đến biến dạng đàn hồi của hệ thống máy ép: πD 2 V = η Β Η 0 4 Μ trong đó: η 0 - hệ số tổn thất thể tích, th−ờng lấy bằng 0,9 đến 0,95. 68
5. Các ph−ơng pháp tính toán các chi tiết của bộ tăng áp và các vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết trên cũng t−ơng tự nh− đối với các chi tiết của máy ép. Do nh−ợc điểm của bộ tăng thuỷ lực hoạt động không liên tục là nguyên nhân để ng−ời ta tạo ra các bộ tăng áp hoạt động liên tục sử dụng rộng rãi ở các ở bộ dẫn động bơm dầu. Sơ đồ của bộ tăng áp hoạt động liên tục làm việc với dầu khoáng đ−ợc trình bày trên hình 4-3b. Khi dịch chuyển pittông 7 (có các pittông áp suất cao) về vị trí đầu cùng, thì pittông thông qua thanh nối 12 và công tắc 11 sẽ cấp điện cho cho nam châm điện E1 hoặc E2. Sau đó dầu từ bơm sẽ làm dịch chuyển pittông về h−ớng ng−ợc lại. Các pittông áp suất cao sẽ thay phiên nhau hút dầu qua các van hút 8 và đẩy nó vào hệ thống qua van 10. L−ợng dầu áp suất cao đ−ợc cấp liên tục. Thông th−ờng các bộ tăng áp kiểu này tạo đ−ợc áp suất 40 - 60 MN/m2 (400- 600 kG/cm2). Các bộ phận tăng áp hoạt động liên tục cho phép sử dụng các bơm áp suất cao đơn giản và rẻ, tăng hiệu quả sử dụng động cơ điện, giảm thời gian hành trình không tải và hành trình công tác. 4.3. Biến dạng đàn hồi trong hệ thống máy ép thuỷ lực Khi máy ép thực hiện các nguyên công công nghệ thì trong máy có tích tụ một l−ợng năng l−ợng biến dạng đàn hồi trong các chi tiết kim loại và chất lỏng. Trong một số tr−ờng hợp, năng l−ợng tích tụ trong hệ thống của máy ép thuỷ lực (năng l−ợng này sẽ mất đi sau khi máy thực hiện hành trình công tác) sẽ gần bằng hoặc lớn hơn so với công có ích của máy ép. Cần xác định thể tích chất lỏng, trị số của hành trình của pittông và năng l−ợng tích tụ Hình 4-4. Sơ đồ tính toán (làm biến dạng các chi tiết kim loại và chất lỏng). máy ép thuỷ lực Trên hình 4-4 trình bày sơ đồ tính toán của máy ép. Độ cứng của xà ngang trên và d−ới đ−ợc lấy bằng độ lớn vô cùng. Bỏ qua gia tốc t−ơng đối trong các h−ớng vuông góc với h−ớng tác động của các lực mà các lực này không có ý nghĩa thực tế, ta có: - L−ợng thay đổi thể tích xi lanh do có sự tăng đ−ờng kính trong của nó d−ới tác dụng của áp suất chất lỏng: 69
6. πσx1 ∆ V = t D2L 1 2Ε σ ∆D σ vì: ε = t = ; ∆ D= t D t Ε D Ε ∆D nên: ∆ V = π D L. 1 2 - Sự tăng thể tích xi lanh do bị kéo dài theo chiều trục của nó: ρF2 L ∆ V2= Ε Fc σ ∆L ρF Do: ε = = = Ε L ΕFc ρF Suy ra: ∆L = L ΕFc trong đó: ∆D - l−ợng thay đổi (gia số) đ−ờng kính xi lanh. ∆L - gia số chiều dài xi lanh. Χ1 σ t - ứng suất tiếp tuyến trên thành bên trong của xi lanh. E- môđun đàn hồi của thép. D- đ−ờng kính trong của xi lanh. L- chiều dài xi lanh công tác. p - áp suất cao của chất lỏng công tác. F - diện tích bên trong của xi lanh công tác. Lπ - chiều dài của cán pittông hoặc pittông. Fcπ - diện tích tiết diện của cán hoặc của pittông. Fcπ - diện tích tiết diện của xi lanh công tác. L−ợng biến đổi tổng cộng của thể tích các đ−ờng ống và xi lanh, do có sự tăng đ−ờng kính trong của chúng, đ−ợc xác định theo biểu thức: 2 ∆V = ( σΧ1V + σΤV ) 3 Ε t Χ1 t Τ trong đó: Τ σt - ứng suất tiếp tuyến trong đ−ờng ống dẫn; Vx1 và VT thể tích bên trong của các xi lanh và đ−ờng ống (với chiều dài Lm). - Thể tích phụ thêm của chất lỏng trong xi lanh bù cho l−ợng ép của cán hoặc pittông: 70
7. 2 ρF Lπ ∆V4 = Ε Fcπ - Thể tích bù cho sự nén của chất lỏng trong đ−ờng ống và trong xi lanh: ρ ∆V5 = (VT+ V0+ VX+ VP) Ε1 trong đó: E1 - môđun đàn hồi của chất lỏng V0- thể tích có hại của xi lanh có nghĩa là thể tích chất lỏng công tác trong xi lanh khi xà ngang di động ở vị trí tận cùng; Vx và Vp - thể tích gây ra bởi hành trình không tải và hành trình công tác của pittông). Thể tích của chất lỏng công tác cần thiết để bù cho l−ợng biến dạng của các phần kim loại và chất lỏng: 2 2 Τ x1 ρF L LΚ L π ρ Vb= ( σt VΤ + σt Vn ) + ( + + ) + (VT +V0+Vx+Vp) Ε Ε Fc FΚ Fcπ Ε1 (4.1) Chiều dài hành trình của pittông cần thiết để bù cho sự thay đổi thể tích gây ra bởi sự biến dạng của các phần kim loại và chất lỏng: V L = b (4.2) b F Thế năng tích tụ trong hệ thống thuỷ lực: P L U= Η b (4.3) 2 trong đó: PH - lực ép định mức của máy ép. Ta thấy rằng, công thức (4.1) có thể sử dụng khi nén đẳng nhiệt chất lỏng tới áp suất p ≈ 40MPa. Các tính toán đ−ợc thực hiện cho máy ép kiểu 4 trụ theo các công thức đã cho thấy rằng phần năng l−ợng lớn nhất tích tụ trong máy ép đ−ợc dùng để ép chất lỏng ở trong các xi lanh ( ≈ 66%), thể tích của nó đ−ợc xác định bằng chiều dài của hành trình tiếp cận và thể tích có hại. Một phần năng l−ợng tiêu hao làm kéo dài các trụ (~15%) và làm tăng thể tích của xi lanh công tác ( ≈ 10%). Các số liệu nhận đ−ợc ở trên cũng đặc tr−ng cho cả các loại máy ép khác. Xác định các tr−ờng hợp độ đàn hồi của máy ép là yếu tố quyết định khi thiết kế máy. 71
8. Nếu chỉ đặc tr−ng cho độ cứng của hệ thống máy ép bằng trị số lực, t−ơng ứng với l−ợng biến dạng đàn hồi đơn vị của các cột, vì khi đó sự biến dạng của chất lỏng ch−a đ−ợc xét. Cũng có thể lấy lực công tác của máy ép chia cho chiều dài hành trình pittông, để bù cho biến dạng của các phần kim loại và chất lỏng công tác, nh−ng điều này cũng không cho phép trả lời đ−ợc câu hỏi: Độ cứng của máy ép nh− thế đã đủ ch−a? Các quá trình công nghệ đ−ợc diễn ra trong máy ép rất đa dạng theo mức độ điền đầy của đồ thị lực và chiều dài của hành trình công tác (hình 2-9). Các quá trình nh−: dập nóng, dập tấm, uốn, đóng bánh các phoi kim loại và các quá trình khác, đ−ợc đặc tr−ng bằng sự điền đầy không lớn của diện tích đồ thị lực với trị số đáng kể của hành trình công tác. Đồng thời khi đó, ngay một máy ép đ−ợc dùng để ép đ−ợc dùng để ép nong các ống từ phôi dạng hình trụ và dùng để dập nóng (với chiều dài của hành trình công tác là nh− nhau) thì trong tr−ờng hợp thứ nhất độ cứng của máy có thể là hoàn toàn đủ, còn ở tr−ờng hợp thứ hai thì có thể lại thiếu. Tiêu chuẩn để đánh giá độ cứng đủ của máy ép thuỷ lực có thể lấy bằng tỷ số của công Α Π do máy sản ra để biến dạng dẻo chi tiết, chia cho công Ab dùng để biến dạng toàn bộ hệ thống: ΑΠ ρΠϕLp ϕLp GT = = = (4.4) Αb CPΠL b CLb trong đó: ϕ - độ điền đầy đồ thị lực Lp - độ dài hành trình công tác của pittông C - hằng số, đối với dẫn động bơm không có bình tích áp C = 1/2 còn đối với dẫn động bơm có bình tích áp C = 1. Trị số của Ab không phải bao giờ cũng bằng U. Các giá trị ϕ và Lp đ−ợc chọn từ các thông số th−ờng gặp nhất của chế độ lực khi làm việc máy ép, vì vậy tính GT đ−ợc quy định bởi kiểu của quá trình công nghệ đ−ợc thực hiện trên máy ép. Đối với máy ép dập nóng đang xét, có lực ép 100 MN (10000T), chiều dài của hành trình công tác là khoảng 80 mm (Lb = 2,4 cm; C = 1). Độ điền đầy đồ thị lực khi dập các chi tiết có profil phức tạp là 0,15, khi đó GT = 0,5 có nghĩa là tổn thất cho biến dạng đàn hồi của máy ép lớn hơn hai lần công có ích. Nếu máy ép đ−ợc dùng để rèn tự do, cụ thể là để vuốt (ϕ = 0,6 và Lp= 8cm), thì đối với tr−ờng hợp này GT = 2, có nghĩa là côn để biến dạng đàn hồi sẽ nhỏ hơn 2 lần so với công có ích. Nh− vậy, cần phải làm máy ép dập có độ cứng lớn hơn so với máy ép rèn . 72
9. Từ biểu thức (4.4) suy ra, máy ép thực hiện các thao tác với hành trình công tác ngắn và độ điền đầy đồ thị lực là nhỏ, cần phải có độ cứng lớn. Để xác định các ph−ơng pháp làm giảm tổn thất do các biến dạng của hệ thống máy ép gây ra, xét biểu thức xác định hành trình của pittông, cần để bù lại độ nén của chất lỏng công tác: L= {Lx+Lp+(V0+VT)/F} β ρ (4.5) trong đó: Lx- độ dài của hành trình không tải β − độ nén của chất lỏng công tác. Các tổn thất do các biến dạng của hệ thống máy ép, nh− là thể tích chất lỏng thuộc pittông công tác và bằng (Vx+Vp+V0+VT), có thể đ−ợc giảm đi bằng cách rút ngắn hành trình không tải và thực hiện một phần của hành trình công tác với tải nhỏ (với Lp lớn) nhờ dẫn động phụ kiểu cơ khí. 4.4. Hiệu suất của các trạm máy ép thuỷ lực Các bộ phận của trạm máy ép thuỷ lực, gây hao tổn năng l−ợng khi truyền từ l−ới điện đến đầu búa (khuôn) của máy ép. Chúng ta sẽ xác định hiệu suất (hệ số có ích) của mỗi bộ phận của trạm máy ép thuỷ lực. 4.4.1 Máy ép thuỷ lực Máy ép tiếp nhận thế năng của chất lỏng công tác đ−ợc đ−a vào các xi lanh công tác hay xi lanh đẩy về và tiêu thụ năng l−ợng này để thực hiện biến dạng dẻo ở phôi. Năng l−ợng truyền từ chất lỏng công tác tới đầu vào của xi lanh công tác hay xi lanh đẩy về đ−ợc gọi là năng l−ợng có thể dùng đ−ợc. Ký hiệu App- là năng l−ợng có thể dùng đ−ợc của hành trình công tác; Apo- năng l−ợng có thể dùng đ−ợc của hành trình đẩy về (công có ích mà đầu búa của máy ép thực hiện ở hành trình đẩy về). Công có ích mà đầu búa của máy ép thực hiện ở hành trình công tác đ−ợc ký hiệu là Acht. Ng−ời ta phân biệt các hiệu suất sau đây của máy ép: hiệu suất tức thời ηtt ; hiệu suất của một hành trình công tác ηht ; hiệu suất sau một chu trình ηct . Khi xác định hiệu suất của máy ép sau một chu trình, không cần xét đến hành trình không tải. Các tổn thất liên quan đến hành trình không tải sẽ đ−ợc xét ở hành trình đẩy về. 73
10. Hiệu suất sau một chu trình ηct của máy ép là tỷ số giữa công có ích để biến dạng dẻo sau một hành trình công tác, chia cho năng l−ợng đã tiêu thụ sau một chu trình làm việc của máy ép (hành trình kép của xà ngang): Αcht Αcht ηct = Αcht / Αρ = Αcht /(Αρ + Αρο ) = (4.6) Αρ Αρ Công của trọng l−ợng các phần chuyển động không đ−ợc tính đến khi tính toán hiệu suất sau một chu trình, vì công này sẽ tích tụ lại ở thời gian hành trình đẩy về, do năng l−ợng có thể sử dụng đ−ợc dành cho hành trình đẩy về. Hiệu suất của máy ép sau hành trình công tác ηht , ở tr−ờng hợp tổng quát là tỷ số của công có ích đã thực hiện chia cho công của trọng l−ợng các phần chuyển động AG cộng với năng l−ợng có thể dùng của các xi lanh công tác: ηht = Αcht /(ΑG + Αρρ ) (4.7) Trong nhiều tr−ờng hợp thì trọng l−ợng của các phần chuyển động là không đáng kể so với lực của máy ép, do đó: ηht = Αcht / Αpp (4.8) Biểu thức (4.8) đúng đối với máy ép có pittông nằm ngang. Năng l−ợng của chất lỏng công tác nằm bên trong xi lanh công tác hoặc là xi lanh đẩy về đ−ợc gọi là năng l−ợng xi lanh Axl, còn công suất t−ơng ứng Nxl đ−ợc gọi là công suất xi lanh. Năng l−ợng của xi lanh hành trình công tác đ−ợc ký hiệu là Axlp. Khi đó: App= Axlp + Ath (4.9) trong đó: Ath - là tổn hao thuỷ lực trên đ−ờng vào xi lanh công tác. Hiệu suất thuỷ lực ηtl là tỷ số năng l−ợng xi lanh chia cho năng l−ợng có thể dùng đ−ợc ở hành trình công tác. ηtl = Α xlp / Α pp (4.10) Năng l−ợng của chất lỏng công tác trong xi lanh bị giảm vì có các tổn thất do biến dạng đàn hồi chất lỏng và các phần thuỷ lực của máy ép và do sự rò rỉ từ xi lanh, đ−ợc gọi là năng l−ợng chỉ thị Au. Năng l−ợng chỉ thị của hành trình công tác và hành trình đẩy về của máy ép đ−ợc ký hiệu là Au.p và Au.0. Khi đó, đối với hành trình công tác ta có: Axlp= Au.p + AbEφ + Ay (4.11) trong đó: ΑbEφ - công sản ra để biến dạng đàn hồi chất lỏng trong xi lanh công tác và các phần kim loại của máy ép; 74
11. Ay - năng l−ợng xác định bởi sự rò rỉ chất lỏng từ xi lanh. Hiệu suất thể tích ηο là tỷ số giữa năng l−ợng chỉ thị Au chia cho năng l−ợng xi lanh Axl. Đối hành trình công tác: ηο = Au.p/ Axlp (4.12) Th−ờng thì có thể bỏ qua phần tổn hao chất lỏng, trị số của nó không v−ợt quá 0,01 Axlp. Hiệu suất thể tích ηο sẽ bị giảm đột ngột đối với các máy ép thực hiện các quá trình đ−ợc đặc tr−ng bởi hành trình công tác ngắn. Từ đó, ta có: Αu. p = Αcht + ΑΜΠ (4.13) trong đó: Α ΜΠ - công để thắng sức cản ma sát và sức cản từ phía các xi lanh đẩy về. Hiệu suất cơ khí ηΜ là tỷ lệ giữa công có ích của máy ép Acht chia cho công chỉ thị Au.p. Đối với hành trình công tác: ηΜ = Α cht /Αu (4.14) Hiệu suất có ích của máy ép ở hành trình công tác, nếu bỏ qua công của các phần chuyển động: ηht = Α cht /Αρρ = ηtl .ηο .ηΜ (4.15) Hiệu suất có ích của máy ép trong một chu trình: ' ' ' ηct = Αcht /(Αρρ + Αρ.ο ) = ηtl .ηο.ηΜ (4.16) ' ' ' trong đó: ηtl .ηο .ηΜ - lần l−ợt là hiệu suất thủy lực, hiệu suất thể tích, hiệu suất cơ khí của máy ép trong một chu trình Τcht . 4.4.2. Bình tích áp Trong các bình tích áp khí - thuỷ lực kiểu pittông có các hao cơ khí, tổn hao thể tích và tổn hao thuỷ lực, đ−ợc xác định giống nh− khi tính tổn hao ở phần máy ép. Ngoài các tổn hao kể trên trong các bình tích áp và đ−ợc đánh giá bằng hiệu suất khí nén ηΠ và các tổn hao nhiệt động đ−ợc đánh giá bằng hiệu suất nhiệt động ηΤ . Để xác định hiệu suất nhiệt động ta coi rằng nhiệt độ ban đầu của không khí trong bình tích áp bằng nhiệt độ của môi tr−ờng, còn quá trình nén không khí trong khi nạp chất lỏng đ−ợc coi là quá trình đẳng nhiệt. Sự giãn nở không khí phóng chất lỏng từ bình tích áp đ−ợc xảy ra khá nhanh, vì vậy quá trình giãn nở đ−ợc coi là đoạn nhiệt. Trong tr−ờng hợp này, áp suất không khí ở cuối quá trình giãn nở sẽ nhỏ hơn áp suất ứng với giãn nở đẳng nhiệt do có sự hạ nhiệt độ. Vì vậy, công giãn nở sẽ nhỏ hơn công nén, do có các tổn hao nhiệt 75
12. động. Tỷ số giữa công giãn nở Α g chia cho công nén ΑΠ ở một chu trình, đ−ợc gọi là hiệu suất nhiệt động. ηΤ = Αg / ΑΠ (4.17) Hiệu suất toàn bộ của bình tích áp kiểu pittông: ηΑ = ηtlηΜηοηπηΤ (4.18) Đối với bình tích áp kiểu không có pittông thì ηΜ = 1, nh−ng ở đây sẽ xuất hiện các tổn hao liên quan tới việc hoà tan không khí trong n−ớc. 4.4.3. Tổn hao trong đ−ờng ống Trong các đ−ờng ống có các tổn hao thuỷ lực và tổn hao thể tích khi nạp chất lỏng công tác vào bình tích áp, xi lanh công tác, xi lanh đẩy về Hiệu suất toàn bộ của đ−ờng ống: ηΤΡ = ηοηtl (4.19) 4.4.4. Bộ phận tăng áp trung gian Hiệu suất của nó đ−ợc xác định t−ơng tự nh− hiệu suất của máy ép. Hiệu suất toàn bộ của bộ tăng áp là: ηΜy = ηtlηΜ ηΟ (4.20) 4.4.5. Máy bơm Trong bơm, có các tổn hao thuỷ lực, tổn hao thể tích và tổn hao cơ khí. Các tổn hao này đ−ợc trình bày trong các cataloge của mỗi loại bơm. Hiệu suất toàn bộ của bơm: ηe = ηctηΑηctηΗ ηdc (4.21) trong đó: ηdc - hiệu suất động cơ điện. 4.5. Các loại dẫn động khác Nếu nh− lấy hiệu suất của thiết bị nồi hơi là 0,75, của đ−ờng ống dẫn hơi là 0,905 và của trạm máy ép là 0,02, thì hiệu suất chung hay là hiệu suất kinh tế của máy ép có dẫn động từ bộ khuyếch đại kiểu hơi - thuỷ lực, bằng tích của các hiệu suất thành phần, bằng 1,5%. Trị số nhỏ của hiệu suất kinh tế phần lớn là do việc sử dụng không triệt để hơi. Các bộ tăng áp cơ khí đ−ợc sử dụng trong dẫn động các máy ép rèn, vì chúng đảm bảo đ−ợc số l−ợng t−ơng đối lớn các hành trình lặp lại và độ sâu nhất 76
13. định của đầu búa ngập vào kim loại. Nh−ợc điểm chính là kích th−ớc của bộ dẫn động lớn nên có tốc độ chậm. Có nhiều triển vọng trong việc sử dụng dẫn động máy ép rèn có lực không lớn (tới 15MN) từ bộ tăng áp kiểu trục khuỷu, làm việc với dầu khoáng. Trong các máy ép thủy lực hiện nay ng−ời ta sử dụng rộng rãi dẫn động kiểu bơm. Dẫn động này th−ờng làm việc với nhũ t−ơng hay dầu khoáng, và điều đó sẽ quyết định các đặc điểm về kết cấu của toàn bộ hệ thống trạm máy ép. Khi bộ dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp làm việc, cần phải chú ý rằng, việc giảm công suất của bơm và động cơ điện có thể đạt đ−ợc bằng cách sử dụng dẫn động có thay đổi theo nhiều cấp l−u l−ợng chất lỏng từ bơm; sử dụng máy ép có vài xi lanh công tác, cho phép nhận đ−ợc một loại các mức lực ép khác nhau; sử dụng dẫn động từ bơm có l−u l−ợng thay đổi hoặc sử dụng tổ hợp khác nhau của các ph−ơng pháp kể trên. Để nâng cao tính kinh tế của bộ dẫn động kiểu bơm có bính tích áp ta có thể thực hiện bằng cách: sử dụng máy ép có các mức lực ép khác nhau, có bộ tăng áp trung gian hoặc có các trạm bơm; bình tích áp có thể cung cấp chất lỏng công tác cho máy ép với nhiều áp suất khác nhau. Dẫn động kiểu bơm có bình tích áp sẽ đạt hiệu quả cao nhất khi sử dụng ở tr−ờng hợp mà thời gian của hành trình công tác tc nhỏ hơn nhiều so với thời gian toàn chu trình Tcht (nh− ở máy ép để ép kim loại) và cũng nh− để nhận đ−ợc các tốc độ lớn của hành trình công tác (dập nóng thép và vật liệu dạng tấm dày). Việc sử dụng dẫn động kiểu bơm không có bình tích áp sẽ hợp lý đối với các quá trình có mức độ điền đầy của đồ thị lực nhỏ (đóng bánh, đóng gói, vuốt không sâu tấm mỏng, uốn các profin từ tấm mỏng). Các quá trình cần hành trình công tác ngắn và các quá trình không cần tốc độ lớn của hành trình công tác (ép hợp kim nhôm, vuốt các chi tiết từ tấm mỏng). Kiểu dẫn động đ−ợc xác định bằng lực ép định mức của máy ép. Trong các tr−ờng hợp riêng, ta sẽ khó xác định sự hơn hẳn của kiểu dẫn động có bình tích áp hay kiểu dẫn động không có bình tích áp. Khi đó, tốt hơn là phải xác định sự tiêu thụ năng l−ợng ở các dẫn động trong một chu trình và trên cơ sở đó tiến hành lựa chọn ph−ơng pháp dẫn động kinh tế lớn nhất. 4.6. thiết kế hệ thống thuỷ lực cho máy ép 500tấn 4.6.1. Phân tích chọn sơ đồ thuỷ lực Ngày nay, trong máy ép thuỷ lực ng−ời ta th−ờng sử dụng các dạng sơ đồ truyền dẫn thuỷ động thuỷ lực mạch hở. Trong hệ mạch hở, chất lỏng từ xi lanh công tác, sau khi làm việc xong, đ−ợc chuyển về thùng dầu không trở về ngay bơm. Ưu điểm của hệ mạch hở là, trong quá trình làm việc, chất lỏng luôn đ−ợc làm nguội ở thùng dầu tr−ớc khi vào bơm, it khả năng rò rỉ dầu trong hệ thống so 77
14. với hệ thống thuỷ động thuỷ lực kiểu kín. Việc bổ sung dầu vào thùng chứa cũng dễ dàng hơn. Công của máy ép đ−ợc xác định bằng thời gian hành trình công tác tp, trong đó, xảy ra quá trình biến dạng tạo hình vật liệu. Việc xác định công suất thiết lập của bơm phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng công tác trong hệ thống máy ép sao cho trong hệ thống dẫn động hạn chế sự tổn thất năng l−ợng. Trong dẫn động bơm không tích áp tại bất kỳ một thời điểm nào của hành trình công tác, ta có: NH = NHH trong đó: NH - công suất danh nghĩa của máy NHH - công suất danh nghĩa của bơm. Từ đó suy ra giản đồ công tác của bơm và máy ép là nh− nhau khi biến dạng phôi. Muốn sử dụng hoàn toàn công suất danh nghĩa của máy trong thời gian hành trình công tác tp thì bơm cần phải làm việc với công suất NHH trong khoảng hành trình Sp. Ta có công thức: NHH = k.Q.p trong đó: k - hệ số thứ nguyên của Q,p, NHH, Q - l−u l−ợng bơm. Nh− vậy, với máy ép thuỷ lực một xi lanh công tác với l−u l−ợng bơm không đổi thì công của máy ép tiêu hao cho biến dạng phôi bằng công của bơm (công suất thiết lập); p’ là phần áp suất mà bơm không sử dụng hết ở thời điểm bất kỳ. Ph−ơng pháp sử dụng bơm không trữ áp làm tăng hiệu quả sử dụng công tác thiết lập của bơm trong thời gian làm việc do giữ đ−ợc áp suất ở một mức độ nhất định, dễ chọn và hiệu quả làm việc của động cơ điện cao, công suất yêu cầu của động cơ có thể giảm. Tuy nhiên, sử dụng bơm có l−u l−ợng không đổi với một bậc hiệu suất có một số nh−ợc điểm sau: - Phần lớn công suất bơm không đ−ợc sử dụng hết. - Công suất bơm chỉ sử dụng chủ yếu trong hành trình có tải Sp, tính kinh tế thấp. Vì vậy, việc sử dụng tốt nhất công suất thiết lập của bơm trong thời gian công tác tp có thể thực hiện đ−ợc khi ta sử dụng một số bơm đ−ợc đóng mở tuần tự và cho một áp suất chất lỏng công tác ổn định. Sơ đồ nguyên lý của dẫn động này khác với sơ đồ dẫn động bơm không tích áp bình th−ờng ở chỗ sử dụng hai hay nhiều bơm có l−u l−ợng và áp suất khác nhau đ−ợc dẫn động từ cùng một động cơ. 78
15. P a b p’ PH d s o Hình 4-5. Giản đồ áp lực của bơm l−u l−ợng không đổi Lúc đầu cả hai bơm cùng làm việc, sau một khoảng thời gian bơm (1) đạt đến trị số áp suất tối đa của nó thì nhờ có cơ cấu giảm áp sẽ ngắt tải và bơm chạy không tải, lúc này chỉ còn bơm (2) hoạt động thực hiện làm biến dạng vật dập nh−ng với tốc độ chậm hơn và đ−ợc xác định bằng năng suất của bơm này. Trên biểu đồ ta thấy: - Trên đoạn S1 cả hai bơm cùng làm việc, l−u l−ợng của hệ thống sẽ là Q1+Q2 và cho áp suất PH1. - Bắt đầu từ điểm d, bơm (1) bị tách ra khỏi hệ thống, khi đó chỉ còn bơm (2) làm việc cho l−u l−ợng Q2 và áp suất của hệ thống do bơm (2) quyết định. Tốc độ dịch chuyển của pittông công tác trong hai giai đoạn sẽ là: Q1 + Q 2 Q 2 v1 = và v 2 = . Kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy v1>v2. S1 S 2 - Hiệu suất của hệ thống trong sử dụng bơm có hai bậc hiệu suất cao hơn so với sử dụng một bơm có l−u l−ợng không đổi. Nếu tăng số l−ợng bơm (dẫn động nhiều bậc hiệu suất) thì hiệu suất của hệ thống sẽ tăng lên. Tuy nhiên việc tăng số l−ợng bơm còn phụ thuộc vào tính kinh tế và giá thành chế tạo của máy ép thuỷ lực. Hệ thống truyền động thuỷ lực thuỷ tĩnh trên máy ép thuỷ lực có kết cấu theo mức độ phức tạp khác nhau tuỳ theo yêu cầu, đặc điểm và tính năng sử dụng theo từng loại máy. Máy ép thuỷ lực dập nóng th−ờng dùng gia công các chi tiết có kích th−ớc lớn, nên máy ép thuỷ lực không cần cơ cấu ép biên. Để cụm đầu tr−ợt (xà động và khuôn trên) chuyển động lên xuống đ−ợc nhanh mà không phải sử dụng các bơm l−u l−ợng lớn, trên máy ép sử dụng hai xi lanh đẩy về, dùng để nâng cụm đầu 79
16. tr−ợt và bảo đảm tốc độ đi lên của xà động theo yêu cầu kỹ thuật. Đồng thời, để dễ dàng tháo sản phẩm khỏi khuôn d−ới, sử dụng thêm một cụm xi lanh - pittông đẩy phôi lắp phía d−ới bàn máy. P Q b a 2 Q1 + Q2 d PH2=PH P H1 S,t V1 V2 S, t S , t S , t 1 1 2 2 Hình 4.6. Biểu đồ l−u l−ợng, áp lực và tốc độ của hai bơm trong dẫn động hai bậc hiệu suất Máy ép thuỷ lực theo thiết kế sẽ có 2 chế độ làm việc chính, hoạt động nh− sau: • Chế độ làm việc không tải a. Hành trình không tải đi xuống Động cơ khởi động, bơm cấp dầu cho hệ thống thuỷ lực, dầu qua hệ thống thuỷ lực đi vào buồng trên của 2 xi lanh phụ. Pittông của 2 xi lanh phụ đi xuống mang theo cụm đầu tr−ợt với tốc độ 50 mm/s, hành trình lớn nhất của cụm đầu tr−ợt là 600 mm. Khi đầu tr−ợt đi xuống điểm giới hạn d−ới cùng, cảm biến vị trí hoạt động truyền tín hiệu điều khiển về van đảo chiều, điều khiển cụm van phân phối đảo chiều chuyển động của dầu, dầu sẽ đi vào buồng d−ới của 2 xi lanh phụ. b. Hành trình không tải đi lên Dầu qua hệ thống thuỷ lực đi vào buồng d−ới của 2 xi lanh phụ, đẩy pittông đi lên mang theo cụm đầu tr−ợt với tốc độ 40 mm/s. Nếu pittông đi lên hết hành trình, cảm biến vị trí hoạt động sẽ truyền tín hiệu cho van điều khiển, điều khiển 80
17. hệ thống thuỷ lực làm đảo chuyển động của dầu vào 2 xi lanh phụ, khi đó cụm đầu tr−ợt lại chuyển động đi xuống. • Chế độ làm việc có tải a. Quá trình ép phôi Cụm xà ngang - đầu tr−ợt chuyển động đi xuống, khi chạm vật dập, áp lực trong xi lanh chính tăng dần lên do bơm cao áp tăng áp, đầu tr−ợt tiếp tục chuyển động đi xuống với tốc độ chậm 1 mm/s. Nếu trở lực biến dạng của vật rèn lớn v−ợt quá áp lực làm việc cho phép, hệ thống van an toàn sẽ tự động ngắt tải của các bơm bảo đảm an toàn cho hệ thống. Lực ép lớn nhất của máy là 500 T. b. Quá trình tháo sản phẩm Khi cụm xà ngang - đầu tr−ợt chuyển động đi lên đến độ cao cho phép, hệ thống điều khiển nối dầu cho cụm pittông - xi lanh tháo phôi. Pittông đi lên đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn, hết hành trình của pittông đẩy phôi (320 mm), cảm biến vị trí hoạt động truyền tín hiệu điều khiển, hệ thống thuỷ lực đảo chiều chuyển động của dầu vào buồng trên của xi lanh tháo phôi đẩy pittông đi xuống. Lực tháo phôi là 60 T. Nh− vậy, để máy ép thuỷ lực hoạt động theo yêu cầu làm việc nh− đã thiết lập ở trên, hệ thống thuỷ lực của máy phải có một số các phần tử thuỷ lực sau: - Cụm pittông - xi lanh chính. - Hai cụm pittông - xi lanh phụ. - Cụm pittông - xi lanh tháo phôi. - Cụm bơm thuỷ lực. - Động cơ dẫn của bơm thuỷ lực. - Cụm van an toàn. - Cụm van điều khiển. - Cụm van phân phối. - Cụm van chia dòng. - Thùng dầu. - Bộ lọc dầu. - Hệ thống ống dẫn dầu. Ngoài ra còn có một số các thiết bị khác nh− các van một chiều, van chặn, đồng hồ đo áp suất, đồng hồ báo dầu, nhiệt kế, các van xả khí Căn cứ vào chế độ làm việc của máy, sơ đồ nguyên lý truyền động thuỷ lực của máy đ−ợc thiết kế nh− hình 4-7. 81
18. g thuỷ lực máy ép 500 T . Sơ đồ nguyên lý hệ thốn Hình 4-7 82
19. Trên hình 4-7 gồm 41 chi tiết và cụm chi tiết: 1,6 - động cơ điện 3 pha; 2,7- các bơm bánh răng; 3,5,8,10- các bộ lọc dầu; 4- bơm pittông cao áp; 9- van điều áp; 11- thùng dầu chính; 12,13,14- các van an toàn; 15,16,28,32- các van một chiều; 17,18,20,36- các van điều khiển; 19,35- van phân phối; 21- van đảo chiều; 22,23- cụm van chia dòng; 24,26,29,34 - bộ điều tốc; 25,30: cụm xi lanh, pittông phụ; 27-cụm xi lanh, pittông chính; 31- thùng dầu phụ; 33- cụm pittông, xi lanh của cơ cấu tháo phôi; 37- đồng hồ áp suất; 38,39,40- van xả khí và 41- van chặn. 4.6.2. Tính toán và chọn các bơm thuỷ lực Bơm là phần tử tạo ra năng l−ợng, bơm là một trong những phần tử quan trọng nhất của hệ thống thuỷ lực. Các thông số cơ bản của bơm là l−u l−ợng và áp suất. a- Bơm bánh răng l−u l−ợng Bơm l−u l−ợng (5) có nhiệm vụ cấp dầu cho 2 xi lanh phụ (33), (35) và bổ sung dầu cho thùng dầu (46). Hình 4-8. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo bơm bánh răng Để đạt đ−ợc tốc độ dịch chuyển của cụm xà ngang-đầu tr−ợt chuyển động đi xuống với v = 50 mm/s và đi lên với v = 40 mm/s thì bơm l−u l−ợng phải bảo đảm cung cấp đủ l−ợng dầu điền đầy vào 2 xi lanh phụ và bổ sung dầu liên tục cho thùng dầu phụ (31). Theo thông số thiết kế ban đầu: lực đẩy trở về của cụm đầu tr−ợt là 10 T, vậy lực tác dụng trên mỗi xi lanh phụ là 5 T. Diện tích làm việc của mỗi xi lanh phụ là: 83
20. P 5000 S = = = 200 cm 2 p 25 S = 2.104 mm2 Vận tốc chuyển động đi xuống lớn nhất là 50 mm/s, nên l−u l−ợng dầu cần thiết đ−a vào xi lanh phụ khi đi xuống là: 4 6 3 Qx = vx.S = 50.2.10 = 10 mm /s -3 3 Qx = 10 m /s Hai xi lanh phụ sẽ có l−u l−ợng lớn nhất cần thiết khi đi xuống là: -3 3 Qp = 2.Qx = 2.10 m /s Qp= 120 l/ph Vì bơm phải đảm nhiệm cung cấp dầu cho thùng dầu phụ (31) nên ta chọn bơm l−u l−ợng có các thông số kỹ thuật nh− bảng 8-1. Bảng 4-1 Các thông số của bơm bánh răng l−u l−ợng STT Đại l−ợng Đơn vị tính Giá trị 1 L−u l−ợng l/ph 200 2 áp suất lớn nhất cho phép MPa 2,5 3 Tốc độ quay của trục bơm v/ph 1450 b- Bơm bánh răng điều khiển Bơm có nhiệm vụ cung cấp dầu điều khiển cho các van điều khiển trong hệ thống, cấp dầu cho xi lanh tháo phôi, bổ sung dầu cho thùng dầu phụ. Diện tích xi lanh tháo phôi là: Ptp 60000 S = = =150 cm 2 =15.10 3 mm 2 tp p 400 Bảng 4-2 Các thông số của bơm bánh răng điều khiển STT Đại l−ợng Đơn vị tính Giá trị 1 L−u l−ợng l/ph 100 2 áp suất lớn nhất cho phép MPa 25 3 Tốc độ quay của trục bơm v/ph 1450 84
21. L−u l−ợng dầu cần thiết cho xi lanh tháo phôi là: 3 3 Qt = vtp.Stp = 65.15.10 = 975 000 mm / Qt = 58,5 l/ph Bơm bánh răng điều khiển có các thông số kỹ thuật đ−ợc chọn theo bảng 4-2. c- Bơm pittông cao áp Bơm pittông có khả năng làm kín tốt hơn so với bơm bánh răng, vì vậy bơm pittông đ−ợc sử dụng trong hệ thống thuỷ lực có áp suất cao. Bơm pittông cao áp có nhiệm cụ cung cấp dầu cao áp cho xi lanh chính và xi lanh tháo phôi khi chúng làm việc. Hình 4-9. Sơ đồ nguyên lý bơm pittông rôto h−ớng trục 1. rô to; 2. pittông; 3. đĩa nghiêng; 4. nắp; 5. rãnh bơm Bảng 4-3 Các thông số của van phân phối dùng cho bơm pittông cao áp STT Đại l−ợng Đơn vị tính Giá trị 1 L−u l−ợng l/ph 30 2 áp suất lớn nhất cho phép Mpa 40 3 Tốc độ quay của trục bơm v/ph 1450 Diện tích tiết diện ngang xi lanh chính là: P 500000 S = = = 1250(cm2 ) = 125.103 mm 2 p 400 85
22. L−u l−ợng cần thiết cho xi lanh chính khi làm việc có tải là: 3 3 Qclv = vlv.S = 1.125.10 = 125 000 mm /s Qclv = 7,5 l/ph - Pittông tháo phôi khi tháo phôi có tốc độ 22 mm/s, vậy l−u l−ợng dầu cần thiết cho xi lanh tháo phôi khi có tải là: 3 3 Qtlv = vtlv.St = 22. 15.10 = 330 000 (mm /s) Qtlv = 19,8 l/ph Căn cứ vào các giá trị tính đ−ợc, chọn bơm pittông cao áp có các thông số kỹ thuật nh− bảng 4-3. 86