BTL cơ cấu chấp hành và điều khiển Haui Nhóm 18

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN
CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ DIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THUỶ KHÍ
VÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn:

TS.Phan Đình Hiếu

Nhóm sinh viên thực hiện:
Đậu Phú Dương

2019605745

Phùng Thế Hoà

2019605239

Nguyễn Trung Hiếu

2019604420

Hà Nội - 2021
1


(BM01)

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1.Tên lớp:
Khóa
2.Tên nhóm: Nhóm 18
Họ và tên thành viên
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề :

Máy uốn tôn thuỷ lực dài 3 m lắp ráp với 2 xy lanh được

liên kết bằng dấm máy ép như hình . Hai xy lanh phải thực hiện hành trình làm việc ở
cùng một tốc độ. Áp suất làm việc phải được
hiệu chỉnh thích hợp với vật liệu của chi tiết
phôi. Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong
là 2000 kg , vận tốc chuyển động ổn định của
pittong là 0.05 m/s , thời gian tăng tốc từ 0 tới
0.05m/s là 1 (s) là ; thời gian giảm tốc ở cuối
hành trình bằng thời gian tăng tốc; thời gian
pittong thực hiện được một hành trình bằng 5s;
áp suất của chất lỏng làm việc p=60at. Máy ép
phải có khả năng chỉ vận hành trong chế độ từng
bước (INCHING). Máy ép phải đi đến trạng thái dừng nếu nút ấn dừng khẩn cấp
(EMERGENCY STOP) được nhấn

2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống?
2

- Nội dung 2: Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực
đáp ứng yêu cầu đề bài?
- Nội dung 3: Thiết kế mạch điện điều khiển để có thể vận hành cửa với 4 nút
đóng, mở, dừng và nút dừng khẩn (sử dụng mạch rơ le giữ trạng thái)
3. Sản phẩm nghiên cứu : Bài thu hoạch và các chương trình mơ phỏng Fluid
Sim.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án theo đúng thời gian quy định
(từ ngày 25/04/2020 đến ngày 05/05/2020)
2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và
những sinh viên khác
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Bài giảng hệ thống tự động thủy khí, tài liệu Fluid Sim.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS.Nguyễn Anh Tú

TS.Phan Đình Hiếu

3


Mục lục

Phần I: Hệ Thống Thuỷ Khí..........................................................................................5
Chương I: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống...................................5

1.1.Biểu đồ trạng thái.................................................................................................5
1.2 Lưu đồ tiến trình của hệ thống.............................................................................5
Chương II: Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu và thiết kế mạch thuỷ lực..............7
2.1 Các thành phần thủy lực.......................................................................................7
2.2 Các kích thước cơ bản của xy lanh lực :..............................................................7
Chương III:Thiết kế mạch điện điều khiển để có thể vận hành cửa với 4 nút đóng,
mở, dừng và nút dừng khẩn (sử dụng mạch rơ le giữ trạng thái)................................13
3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Festo Fluidsim:..........................................13
3.2 Mô phỏng về mạch điện hoạt động theo đè tài..................................................14
3.3 Sơ đồ pittong hoạt động.....................................................................................15
3.4 Kết luận..............................................................................................................19
Phần II : Động cơ điện.................................................................................................20
Bài 1.........................................................................................................................20
Bài 2:........................................................................................................................22
Bài 3:........................................................................................................................23
Bài 4:........................................................................................................................25
Bài 5:........................................................................................................................27

4


Phần I: Hệ Thống Thuỷ Khí
Chương I: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống
1.1.Biểu đồ trạng thái

5s

5s

Start

Hình 1.1: Biểu đồ trạng thái

1.2 Lưu đồ tiến trình của hệ thống

5


Hình 1.2: Lưu đồ thuật tốn

*Chú thích : -Cảm biến A0, A1, B0, B1
- pittong 1,2 đi ra : A+,B+
- pittong 1,2 đi vào : A-,B- Nút S1 : nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi ra
- Nút S2 : nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi vào

6


Chương II: Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu và thiết kế mạch thuỷ
lực
2.1 Các thành phần thủy lực
- Xylanh tải trọng
- Van Servo
- Ác quy thủy lực
- Đồng hồ đo áp suất
- Van tràn
- Bơm dầu ( Bơm bánh răng)
- Van cản
- Van tiết lưu 1 chiều

2.2 Các kích thước cơ bản của xy lanh lực :
a, Do đề tài có 2 xylanh lực như nhau, nên ta tính cho mỗi xylanh là như nhau :
- Đường kính trong của xy lanh.
- Chiều dài hành trình piston.
- Đường kính cần piston.
b, Để xác định các kích thước cơ bản của xy lanh lực trước tiên phải xác định tải
trọng cực đại tác dụng lên piston. Tài trọng đó bao gồm tải trọng tĩnh và tải trọng
động. Tài trọng tĩnh dược xác định trong đề tài tải trọng động xuất hiện khi pittong
tăng tốc hay giảm tốc và có thể xác định được bằng công thức:
Pd =m .a

(1.1)

+ Trong đó:
m : khối lượng của vật thể chuyển động tịnh tiến.
a : gia tốc của vật thể trước khi đạt được tốc độ ổn định

- Đường kính của xylanh lực được xác định theo công thức :

7


D=

√

4P
.K
πpp

(1.2)

+ Trong đó:
P = Pd + P t
Pd :tải trọng động
Pt : tải trọng tĩnh ;

K : hệ số kể tới ảnh hưởng của tổn thất
p : áp suất của chất lỏng làm việc.
p = 60 at = 607,95 N/cm2
- Tải trọng động :
Pd =m .a=

Pt ∆ v
10000 0,05
.
=50 N
=
.
10
1
g ∆t

- Tải trọng tổng cộng :
P = Pd + P t = 10000 + 50 = 10050 N

Vậy:
D=

√

4P
4.10050
.K =
.1,3 = 5,22 cm
πpp
3,14.607,95

√

Lấy trong đường kính D theo tiêu chuẩn D = 50 mm. Xác định lại áp suất của
chất lỏng làm việc để cho xy lanh thắng được tải trọng tác dụng :

p=

4 PK 4. 10050.1,3
=
=665,732 N /cm2=65,7 at
2
2
πp D
3,14.5
d

- Đường kính cần d pittong xác định gần đúng phụ thuộc vào áp suất p theo tỷ số D
sau:

8

Bảng 1: Áp suất tỷ lệ với đường kính
p≤15at

15 at ¿ p≤ 50 at

50at ¿ p≤ 80 ÷ 100 at

d
=0,3 ÷0,35
D

d
=0,5
D

d
=0,7
D

- Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài toán
p = 665,732 N /cm2=65,7 at > 50 at.
d

Vì vậy ta chọn D =0,7.
=> Đường kính cần pittong có giá trị bằng d = 0,7.D = 35 mm.

c, Xác định hành trình pittong:
- Đoạn đường pittong chuyển động có gia tốc:
S1=2 ×

at2
2
=50× 1 =50(mm)
2

- Đoạn đườngpittong chuyển động đều:
S2=V p . t=50 ×2=100 (mm)

- Hành trình pittong :
S=S 1+ S 2=100+50=150 (mm)

d, Xác định lưu lượng của xylanh làm việc:
- Với xylanh tác động kép :
Q=L .

πp (2 D 2−d2 )
πp (0,52−0,35 2)
. n .i=1,5.
.12 .60,23=321,434 (l/ phút )
4
4

Trong đó:
D : đường kính xylanh ( D= 0,5 dm)
d : đường kính cần pittong (d= 0,35 dm)
L: hành trình xylanh ( L= 12,5 dm)

9

n : số hành trình khép kín của xylanh/đơn vị thời gian ( n = 12 hành
trình/phút)
i: tỷ số nén, I được tính : i=1,013+ P ¿ ¿
P : áp suất nguồn cấp cho xylanh ( P= 60 bar)

e, Tổn thất trong hệ thống thủy lực



Tổn thất thể tích Tổn thất thể tích do dầu thủy lực chạy qua các khe hở trong
các phân tử của hệ thống. Áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng
nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích đáng kể nhất là các cơ cấu
biến đổi năng lượng.

 Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động
tương đối với nhau.


Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường
chuyển động của dâu từ bơm đến cơ cấu chấp hành, phụ thuộc vào những yếu
tố khác nhau như:
+ Chiều dài ống dẫn
+ Độ nhẵn ống dẫn
+ Tốc độ dòng chảy
+ Độ lớn tiết diện ống dẫn
- Cơng thức tính tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động thủy lực:
∆ p=P0−P1=10. ξ .

ρ 2 1
V .

2. g
d

(1.3)

Trong đó:
P0 :áp suất vào của hệ thống
P1 : áp suất ra của hệ thống
ρ :khối lượngriêng của dầu (914 kg /m2)
ξ :hệ thống tổn thất cục bộ

V : vận tốc trung bình của dầu (m/s)
g: gia tốc trọng trường ( 10 m/ s2 ¿

10


Ta có phương trình cân bằng tĩnh của lực tác dụng lên piston :
p1.A1 = p2.A2 + P

(1.4)

Trong đó :
p1. p2 : áp suất ở các buồng xylanh
P = 10050(N) : Tổng tải trọng
A1, A2 diện tích hai phía của piston
A1= 19,63 cm2 ; A2= 10,01 cm2
p1 = p = 665,732 N/cm2 =6,57 Mpa
=> p2 = 3,01 (MPa)
Phương trình lưu lượng

Xét ở hành trình cơng tác :
Q1 = V ct . A ct =V ct

πp D 2
4

(1.5)

Q1 lưu lượng cần cung cấp trong hành trình cơng tác
Vct : vận tốc chuyển động trong hành trình cơng tác , (Vct=Vmax = 5 cm /s)
Act=A1: diện tích bề mặt làm việc của piston ( D = 5 cm )
Q1=vmax.A1=6 (l / ph ) .
Do hệ thống hoạt động với 2 xylanh => ∑Q1 = 2 Q1 = 12 (l/ph)
Xét ở hành trình lùi về :
Q1 = V v . A v =V v πp

(D ¿ ¿ 2−d 2 )
¿
4

(1.6)

Q2 lưu lượng cần cung cấp trong hành trình về
Vv : vận tốc chuyển động trong hành trình về , (Vv=Vmax = 5 cm /s)
11


Av=A2: diện tích bề mặt làm việc của piston ( D = 5 cm )
Q2=vmax.A2=3 (l / ph ) .
Do hệ thống hoạt động với 2 xylanh => ∑Q2 = 2 Q2 = 6 (l/ph)

∑ Q2

 Van tiết lưu 1 chiều H = ∑ Q1 × 100 %=50 %

f, Tính và chọn các thông số của bơm
-Lưu lượng của bơm
Qb=Q1=12 (l/ph) ( bỏ qua tổn thất )
-Áp suất của bơm
Pb= P0=P1=665,732 N/cm2
-Công suất của bơm
Nb = Pb*Qb/612=13,05 [ kW ]
-Công suất động cơ điện dẫn động bơm :
Ta có :
Nđc = Nb/(Hb.Hd)

(1.7)

Nđc: Công suất của động cơ điện
Hb: hiệu suất của bơm , Hb=( 0,6 -> 0,9 ) , chọn Hb=0,87
Hd: hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm , chọn Hd=0.985
=> Nđc=15,23(kW)
g, Tính tốn ống dẫn :
Ta có lưu lượng chảy qua ống
Q = π.d’2.v/4
Q: lưu lượng chảy qua ống ( l/ph )
d’ : đường kính trong của ống ( mm )
v : vận tốc chảy qua ống ( m/s )
-Đối với ống nén thì v= ( 6-7 m/s ) , chọn v= 6 m/s => dn= 2,546 ( mm )
12

-Đối với ống hút thì v= ( 0,5-1,5 m/s) , chọn v=1,5 m/s =>dh = 10,19 ( mm
-Đối với ống xả thì v = ( 0,5-1,5 m / s ) , chọn v= 1,5 m/s =>dx= 10,19 ( mm )

Chương III:Thiết kế mạch điện điều khiển để có thể vận hành cửa với 4
nút đóng, mở, dừng và nút dừng khẩn (sử dụng mạch rơ le giữ trạng thái)
3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Festo Fluidsim:
 Phần mềm mơ phỏng thuỷ lực khí nén Festo Fluidsim
- Fluidsim thường là một gói phần mềm mà bạn có thể sử dụng để mô
phỏng , thế hệ và nghiên cứu của khí nén và thủy lực.
- Cơng cụ này cũng có thể được sử dụng để xây dựng và kiểm tra mạch ảo .
Tất cả các chức năng trong chương trình được kết hợp một cách độc đáo, vì
vậy có thể dễ dàng sử dụng . Phần mềm này là một trình soạn thảo mạch và
mơ phỏng chi tiết cực kỳ tốt, có các tính năng chi tiết về tất cả các thành
phần .
- Các mặt thuận lợi của Fluissim làm cho nó trở nên hồn hảo đến việc hướng
dẫn và tạo ra những bài học . Các công cụ rất tốt cho việc chuẩn bị và là
một phần mềm tự học . Tất cả các bạn muốn làm là để có thể xác định xây
dựng đầu vào của chất lỏng và dạng hình học trên trường thì mơ phỏng chất
lỏng này thúc đẩy sự chuyển động trong chất lỏng bằng cách sử dụng
phương trình Euler cộng thêm phương trình Navier-Stokes. Những phương
trình minh họa tính chất vật lý trong các chất lỏng.
- Festo Fluidsim khí nén và thủy lực cung cấp một số các khả năng liên quan
đến kết nối giữa một số phần mềm khác thông qua DDE và OPD.
- Cơng cụ này chắc chắn có thể chứa mặt cắt, bản vẽ của xi-lanh, van và
quản lý dòng chảy thiết bị. Kéo và thả các tính năng cũng có thể được hỗ
trợ mà sẽ cho phép bạn vẽ mạch dễ dàng.
- Tóm lại Festo Fluidsim khí nén và thủy lực thường là một công cụ rất hiệu
quả mà sẽ cho phép bạn mơ phỏng khí nén và thủy lực.
 Đặc điểm của Festo Fluidsim khí nén và thủy lực

Dưới đây là một số tính năng đáng chú ý mà bạn sẽ gặp sau khi Festo Fluidsim khí
nén và thủy lực tải về miễn phí.
- Có thể tạo ra mơ phỏng cho khí nén và thủy lực.
- Tất cả các chức năng có thể dễ dàng tiếp cận.
13


- Một biên tập mạch tương tác bao gồm.
+ Kéo thả và the tính năng hỗ trợ.
- Có thể được sử dụng để tự nghiên cứu và hướng dẫn.
- Cung cấp một loạt các khả năng thông tin liên lạc giữa các sản phẩm phần mềm
khác.
- Chứa hình mặt cắt và bản vẽ của xi lanh, van.

Hình 1.3: Hệ thống thủy khí và mạch điện điều khiển
3.2 Mơ phỏng về mạch điện hoạt động theo đè tài

14


Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện điều khiển
Nút ON/OFF : nút cấp nguồn hoạt động cho toàn mạch
Nút EMERGENCY_STOP : nút dừng khẩn cấp
Nút S1 : nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi ra
Nút S2 : nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi vào

3.3 Sơ đồ pittong hoạt động

15

Khi pittong bắt đầu đẩy ra

16


Khi pittong bắt đầu đi vào

17


Biểu đồ trạng thái khi hệ thống thủy lực hoạt động trên mô phỏng:

18


3.4 Kết luận
- Khi mơ phỏng hoạt động có nhiều sai số do tính tốn nên có nhiều sai số
- Do tổn thất trong quá tình hoạt động nên quá trình hoạt động chưa được
chuẩn theo đề tài

19


Phần II : Động cơ điện
Bài 1: Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 2,2 KW; Uđm =
110V; Iđm = 25,6A; nđm = 1430 vg/phút. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên, đặc tính cơ nhân
tạo với Rưf = 0,78 .
Giải:
a, Xây dựng đường đặc tính cơ tự nhiên

Đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 trong số 3 điểm:
Điểm định mức [Mđm; ωđm]; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn đm]; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ωđm]; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn = ωđm]; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn 0]; Điểm ngắn
mạch [Mnm; ωđm]; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn = 0]
Tốc độ góc định mức:
w đm=

M đm=

2 πp nđm 2 πp ×1430
=
=149.75( rad /s)Mơmen (cơ) định mức:
60
60

Pđm 2200
=
=14.7(N . m)
w đm 149.75

Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức:
[14.7; 149.75]
Ta tính được:
k ❑đm =

M đm 14.7
=
=0.57(Wb )
I đm 25.6

Tốc độ không tải lý tưởng:

W 0=

U đm 110
=
=193 ( rad /s )
k ❑đm 0.57

Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 193] và như vậy ta có thể dựng được đường đặc
tính cơ tự nhiên (đường 1)

20