Thiết kế cơ cấu xilanh thủy lực đóng mở cửa van chữ nhân

Đồ án thiết bị thuỷ công

LỜI NÓI ĐẦU
Đối với mỗi sinh viên ngành kỹ thuật nói chung và đối với sinh viên chuyên
ngành cơ khí trường Đại Học Thuỷ Lợi nói riêng, đồ án môn học là một trong những
nhiệm vụ quan trọng trong quá trình học trong trường đại học. Trong đồ án môn
học của mình sinh viên được ứng dụng và kết hợp những kiến thức của các môn đã
học như: Nguyên lý máy, sức bền, cơ lí thuyết, chi tiết máy, dung sai,..... . Qua đó sinh
viên cũng được làm quen và tiếp cận với công việc thực tế của mình sắp tới khi ra
trường.
Riêng đối với em, đồ án môn học còn giúp em đi sâu nghiên cứu vào chuyên
ngành mình đã chọn, đó là cơ khí thủy công. Đề tài “Thiết kế cơ cấu xilanh thủy
lực đóng mở cửa van chữ nhân” gồm 4 chương:
Chương I: Giới thiệu chung về cửa van chữ nhân và thiết bị đóng mở xilanh thuỷ lực.
Chương II: Các lực tác dụng lên cửa van.
Chương III: Tính toán Xi lanh thủy lực đóng mở cửa van.
Chương IV: Thiết kế mạch thuỷ lực.
Để hoàn thành được đồ án cần phải có một nền tảng kiến thức vững vàng
những môn đã được học ở trường và những kiến thức thực tế, cùng với đó là sự
hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của các thầy. Để bản đồ án này được hoàn thành em
xin chân thành cảm ơn thầy giáo: KS. Bùi Văn Hiệu.
Đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình để em có thể hoàn thành đồ án
môn học này!
Tuy đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, xong do sự hiểu biết và
kiến thức còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót. Em mong nhận được
những ý kiến của các thầy và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày 24 tháng 6 năm 2015

Nguyễn Đức Huy
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 1

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

Mục lục

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 2

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CỬA VAN CHỮ NHÂN VÀ THIẾT BỊ
ĐÓNG MỞ XILANH THUỶ LỰC.
1.1

Giới thiệu chung về cửa van chữ nhân:
Cửa van là một bộ phận rất quan trọng trên các công trình thuỷ điện, thuỷ

lợi. Nó dùng để điều tiết dòng chảy, điều chỉnh mực nước và lưu lượng qua công
trình, dùng để ngăn mặn giữ ngọt, tiêu chua giảm phèn ở các vùng triều. Cửa van là
thiết bị không thể thiếu trong các công trình thuỷ điện, làm cửa âu thuyền, điều tiết
dòng chảy vào tuabin, tích nước vào hồ chứa, xả nước có vật trôi nổi, xả cát lắng
đọng, đóng cửa van để sữa chữa tuabin … Do vậy công trình thuỷ điện có khai thác

tốt hay không , có đạt được mục tiêu thiết kế hay không là phụ thuộc vào sự vận
hành và kết cấu cửa van.

Hình 1.1: cấu tạo chung của cửa van chữ nhân
1.Gối trên; 2. Gối đỡ dưới; 3. Tấm cửa; 4. Gioăng giữa

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 3

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Cửa van chữ nhân được sử dụng như là cửa van âu thuyền , bao gồm 2 cánh
cửa quay quanh trục đứng đặt ở tường khoang âu thuyền, đầu tự do tựa vào nhau
tạo thành chữ nhân nên có tên gọi là cửa van chữ nhân ( hình 1.1). Ở vị trí mở, cửa
van chữ nhân được khép vào trong khoang bên cạnh tường âu thuyền. Cửa van chữ
nhân khá đơn giản trong kết cấu vận hành. Cửa có thể đóng mở nhanh hơn các cửa
âu thuyền khác.
Có 2 dạng kết cấu chính của cửa can chữ nhân: loại dầm chính đặt ngang,
thường dùng ở các âu thuyền có cột nước tương đối cao và loại dầm chính đặt đứng
thường dùng ở các âu thuyền có cột nước tương đối thấp.

Hình1.2: kết cấu cửa van chữ nhân:
1, bản mặt 2, dầm ngang 3, dầm đứng 4, dầm ngang chính 5, trục quay dưới
6, neo trên 7, khớp kín nước

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 4

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Cửa van chữ nhân thường có kết cấu thép, nhưng cũng có lúc cửa dùng cửa
bằng bê tông cốt thép cho những âu thuyền loại nhỏ, cột nước thấp ở vùng triều
ngập mặn.
Cửa gồm các bộ phận: tấm bưng hệ thống, dầm chính ngang và đứng, bộ
phận trục quay, bộ phận tựa và làm chuẩn các thiết bị chắn nước bằng cao su.
Cửa van chữ nhân đước đóng mở đồng bộ do các cần tác dụng vào tai cửa.
Lực đóng mở tác dụng vào các cần có nhiều loại như kiểu cần đẩy dạng biên, cần
đẩy kiểu thanh răng, cần đẩy kiểu kéo bằng xích.
 Một số nhược điểm của cửa van chữ nhân:
 Cối quay, gioăng đáy, và phần dưới cửa van luôn ngập nước, do đó đòi hỏi phải rút
hết nước mới kiểm tra bảo dưỡng được;
 Tính nhạy cảm của gioăng đáy có thể bị nguy hiểm từ các mảnh vỡ trên ngưỡng
cửa;
 Khoang âu thuyền dài hơn để có thể mở cửa (chủ yếu là khoá cửa ở phía hạ lưu)
 Không có khả năng đóng trong trường hợp khẩn cấp.
 Phạm vi ứng dụng của cửa van chữ nhân:
Cửa chữ nhân thường dùng ở phía đầu âu hạ lưu đối với âu thuyền một cấp.
Đối với âu thuyền kiểu giếng hoặc âu thuyền kiểu nhiều cấp có thể dùng ở đầu âu
thượng lưu và các đầu âu trung gian. Đối với đầu âu thượng lưu khi có cột nước
dao động lớn thì dùng cửa chữ nhân không kinh tế vì kết cấu cồng kềnh và nội lực
cũng như cơ cấu đóng mở phân bố không hợp lý.
Cửa chữ nhân còn dùng làm sửa chữa ở đầu âu thượng lưu cũng như đầu âu
hạ lưu. Do tính chất kết cấu, cửa chữ nhân không thể làm việc theo chế độ 2 chiều,
như các vùng có nước thủy triều lên xuống. Để tận dụng các ưu điểm của cửa chữ

nhân trong một số trường hợp người ta thường dùng chửa chữ nhân kép hoặc cửa
chữ nhân có càng chống. Đối với âu thuyền dùng cửa chữ nhân nhất thiết phải bố
trí hành lang và cửa van phụ để làm đầy hoặc tháo cạn nước trong bụng âu.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 5

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
1.2

Thiết bị đóng mở cửa van kiểu xilanh thuỷ lực.

a) Cấu tạo chung và nguyên lý làm việc.
Về cơ bản xilanh thủy lực bao gồm một vỏ xilanh hình trụ rỗng có nắp đầu trên
và đầu dưới, một pít tông, và một cần pít tông. Máy đóng mở xilanh thủy lực có thể
là một hoặc hai xilanh.

Hình 1.3:Xi lanh thủy lực
1:Vỏ xi lanh 2:Pít tông 3:Cán pít tông 4:Đầu cần chữ U
 Các thông số làm việc và kich thước của xilanh
3 thông số quan trọng nhất của một xilanh thủy lực là: Đường kính lòng xilanh
(bore), thường được ký hiệu là D; đường kính cán (rod) – d và hành trình làm việc
(stroke), tức là khoảng chạy của cán xilanh, - s.
D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/kéo cho xilanh
S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xilanh đó.
 Phân loại xilanh thủy lực

 Các xilanh thủy lực thường được phân ra làm hai nhóm cơ bản: Xilanh tác động một
-

phía (một chiều) hoặc Xilanh tác động hai phía (xilanh hai chiều).
Xilanh một chiều
Hình 1.4: xilanh đơn 1 chiều

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 6

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Xilanh một chiều chỉ tạo ra lực đẩy một phía, thường là phía thò cần xilanh, nhờ
cấp dầu thủy lực có áp suất vào phía đuôi xilanh. Cán xilanh sẽ tự hồi vị nhờ tác dụng
lực của bên ngoài hoặc lực đẩy lò xo bên trong. Điều dễ nhận biết nhất đối với xilanh
một chiều là nó chỉ có duy nhất một cửa cấp dầu.
-

Xilanh hai chiều
Xilanh hai chiều có thể tạo ra lực cả hai phía: Khi cán xilanh thò ra và cả khi nó
thụt vào vỏ xilanh. Kết cấu làm kín bên trong của xilanh hai chiều cũng phức tạp hơn
xilanh một chiều và trên thân nó phải có hai đường dầu cấp. Điều khác biệt lớn nữa là
hệ thống thủy lực sử dụng xilanh hai chiều phải có valve đổi hướng (valve phân phối).

hình 1.5: xilanh hai chiều.
 Các xilanh cũng có thể phân chia theo kiểu xếp cán xilanh: Xilanh cán đơn một tầng
-

hoặc xilanh nhiều tầng (telescopic).
Xilanh cán đơn:
Xilanh cán đơn là loại có một đoạn cán xilanh được gắn chặt, cùng chuyển động với
quả piston. Loại xilanh này chỉ có thể tạo ra một khoảng chuyển động nhỏ hơn chiều
dài toàn thể của xilanh, tức là khoảng làm việc của nó bị giới hạn bởi chiều dài của cán
xilanh trừ đi chiều dầy quả piston và các đoạn lắp ráp bên trong xilanh.
Xilanh cán đơn là loại được sử dụng phổ biến và có các ứng dụng rộng rãi. Phần lớn
nó có kết cấu để cán xilanh thò ra ở một phía của xilanh. Một số xilanh có kết cấu với
cán xilanh ở hai phía quả piston (được gọi là Double rod end cylinders). Khi một phía

-

cán xilanh thò thì cán phía bên kia sẽ “thụt” vào trong vỏ xilanh.
Xilanh nhiều tầng.
Xilanh nhiều tầng hay Telescopic thường có 2-3-4 hoặc có khi lên đến 6 tầng. Nó
bao gồm một vỏ xilanh và nhiều ống cần được xếp lồng với nhau. Kết cấu dạng này
làm cho xilanh có thể duỗi dài hành trình dài hơn rất nhiều kích thước cơ sở của xilanh
khi rút hết cán vào. Điều này tạo ra khả năng thiết kế các chi tiết, kết cấu máy gọn
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 7

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
gang rất nhiều. Tuy nhiên xilanh nhiều tầng có giá thành cao hơn nhiều so với xilanh
đơn.
Hình 1.6: xilanh nhiều tầng.

Xilanh nhiều tầng cũng có hai loại kết cấu: Xilanh một chiều và Xilanh hai
chiều; Tuy nhiên loại xilanh hai chiều có kết cấu rất phức tạp và đòi hỏi các thiết kế
đặc biệt để ngăn ngừa các rủi ro.


Phân loại xilanh thủy lực theo kết cấu với hai loại là xilanh hàn và xilanh lắp ghép bằng
-

gu-rông (Tie Rod cylinder).
Xilanh ghép gu-rông:
Loại xilanh này được lắp ghép và giữ cố định bởi 4 thanh gu-rông thép cường độ
cao khóa ren xuyên suốt giữ các bộ phận từ hai đầu nắp xilanh (Với các xilanh có
đường kính lớn có thể có đến 20 thanh gu-rông giữ). Kết cấu xilanh dạng này giúp cho
việc tháo lắp, service các xilanh được dễ dàng và cũng dễ chế tạo từ các bộ phận tiêu
chuẩn. Xilanh loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.
 Hệ thống nâng hạ kiểu xi lanh thủy lực có 4 bộ phận chính :

 Hệ thống động lực: gồm máy bơm dầu cao áp, động cơ điện.
 Hệ thống phân phối, truyền động: gồm các loại van phân phối, hệ thống ống dẫn dầu
cao áp.
 Bộ công tác: Hệ thống xi lanh pít tông thủy lực có áp lực lớn, tốc độ chuyển động
thấp.
 Bộ phận điều khiển: van an toàn, đồng hồ đo áp, bộ đồng tốc, thiết bị đo, hệ thống
nhận và xử lý tín hiệu
Máy đóng mở bằng xilanh thuỷ lực làm việc dựa trên nguyên lý thuỷ lực thể tích,
môi trường truyền lực là chất lỏng, áp lực chất lỏng được bơm vào xilanh, đẩy pít
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 8

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
tông chuyển động qua lại trong xilanh, một đầu cán pit tông liên kết với cửa van
một đầu liên kết với pit tông, do vậy cửa van cũng được chuyển động theo và thực
hiện nhiệm vụ đóng mở , cấu tạo của xilanh có tai lắp với trục quay và hai tai của bệ
gối đỡ cố định trên công trình bằng bu lông, kết cấu này tạo cho đầu pít tông lắp với
cửa van có thể thực hiện được hai chuyền động: chuyển động tiện tiến và chuyển
động quay, chính kết cấu này mà xilanh thuỷ lực có ưu việt hơn hẳn các loại máy
khác và có thể sử dụng cho hầu hết các loại cửa van, kể cả cửa van dưới sâu, nó có
thể lắp đặt ở mọi tư thế khác nhau, nhờ môi chất làm việc là chất lỏng nên chuyển
động của pít tông trong xilanh rất êm, nó có khả năng điều chỉnh vô cấp vận tốc,
đóng mở được cửa van có tải trọng lớn , có khả năng khống chế lực nâng một cách
dễ dàng.

hình 1.7: sơ đồ bố trí mặt bằng cửa van chữ nhân
b) Ưu nhược điểm của thiết bị đóng mở bằng xilanh thuỷ lực.
 Ưu điểm
 Máy đóng mở cửa van bằng xilanh thuỷ lực có thể nâng thẳng đứng, nghiêng một
góc bất kỳ hoặc đẩy ngang.
 Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động
với độ tin cậy cao đòi hỏi ít về chăn sóc và bảo dưỡng.
 Điều chỉnh được vận tốc làm việc tính và vô cấp, dễ thực hiện tự động hoá theo điều
kiện làm việc hay theo chương trình cho sẵn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 9

Lớp: 53M-TBTC

Đồ án thiết bị thuỷ công
 Kết cấu gọn nhẹ, vị trí các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc vào nhau, các bộ
phận nối thường là đường ống nên dễ đổi chỗ.
 Có khả năng giảm khối lượng và giảm kích thước nhờ chọn áp suất thuỷ lực cao.
 Dễ biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp
hành.
 Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn.
 Dễ quan sát và theo dõi bằng áp kế, kể cả hệ phức tạp nhiều mạch .
 Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu
chuẩn hoá.
 Nhược điểm:
 Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng
và tính đàn hồi của ống dẫn.
 Giá thành thiết bị khá cao so với các thiết bị khác.
 Đòi hỏi cán bộ quản lý, vận hành cần có trình độ nhất định.
 Đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo lắp ráp thiết bị, vật việu chế tạo đòi hỏi phải
cso chất lượng tốt.
 Hệ thống đường ống dẫn dầu rất phức tạp và thường rất dài do đó tổn thất trong
đường ống dẫn khá lớn và dễ bị rò rỉ dầu qua các nút nối và khi có rò rỉ thì rất khó
khắc phục làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 10

Lớp: 53M-TBTC

Đồ án thiết bị thuỷ công

CHƯƠNG II: CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CỬA VAN
2.1

Tổng quan các lực tác dụng lên cửa van.
Cửa van thường chịu nhiều loại lực tác dụng lên, trong đó các loại lực chính

tác dụng lên cửa van cần xem xét khi tính toán thiết kế như:
 Áp lực thủy tĩnh (chủ yếu lớn nhất)
 Áp lực thủy động
 Trọng lượng bản thân
 Lực quán tính
 Áp lực song
 Áp lực gió
 Áp lực chân không và tải trọng va đập của tàu thuyền
 Lực ma sát và lực đẩy acsimet
 Lực thiết bị đóng mở
 Lực động đất và tải trọng thử....
Trong đề tài “Thiết kế cơ cấu xilanh thủy lực đóng mở cửa van chữ nhân”
do tính toán theo tổ hợp tải trọng bình thường, và căn cứ theo điều kiện làm việc
của cửa van nên tác giả chỉ tính toán lực đóng mở cửa van để thắng được lực cản
của nước, lực quán tính khi mở cửa và ma sát của 2 gối đỡ của cửa van.
2.2

Tính toán các lực tác dụng lên cửa van.
Bảng 2.1: Các thông số của cửa van.
Cao trình

Thượng

lưu
� TL
m
0,5

Hạ lưu

Đỉnh

Ngưỡng

� HL
m
-0,5

�Đ
m
0,5

�N
m
-3

Chiều rộng
thông thủy

Thời gian
nâng

Thời gain

hạ

B
m
5

Tn
phút
2

Th
phút
2

- Cột nước thượng lưu: Htl = 0.5 + 3 = 3.5 (m)
- Cột nước hạ lưu : Hhl = - 0.5 + 3 = 2.5 (m)
- Chiều cao cửa van: Hc = 0.5 + 3 = 3.5 (m)
a) Áp lực thuỷ tĩnh lên cửa van.


Chiều rộng 1 cánh cửa:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 11

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

Trong đó:
B: chiều rộng thông thủy (m)
α : góc nghiêng cửa so với đường cắt ngang cống trên hình chiếu bằng. Chọn α =
300.

Hình 2.1: Sơ đồ lực tác dụng lên cửa van chữ nhân.

 Tổng áp lực nước lên 1 cánh cửa:

 Phản lực giữa 2 cánh cửa tựa lên nhau và lên gối theo phương ngang do áp lực
nước gây ra.

 Phản lực nối tâm giữa điểm tiếp xúc giữa 2 cửa và gối đỡ theo phương ngang.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 12

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

 Phản lực gối đỡ vuông góc với mặt phẳng cửa.
 Áp lực tác dụng lên hai đầu dầm:
N = γ.Htl.b.d
= 9,81. 3,5 . 3,5 . 2,887
= 326,94 (KN)
 Trọng lượng cửa van: (1 cánh)
Ta có:
L2.H.h = 2,8872 . 3,5 . 3,5

= 102,1 < 2000 (m4)
-- > G = 0,886 . (L2 . H . h)
= 0,886 . 102,12
= 18,253 (KN)
b) Tính lực đóng mở cửa van.
Chọn khoảng cách ngưỡng tới mặt dưới cửa van bằng 2cm, và tâm gối quay đỡ
trên tới mặt trên cửa van là 5 cm.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 13

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
 Gối đỡ trên:
- Phản lực theo phương thẳng đứng bằng không.
Phản lực theo phương ngang:

hình 2.2 sơ đồ lực tác dụng lên cửa van

=0

2.887 m

 Gối đỡ dưới:
- Phản lực theo phương ngang:

3.5 m

1.444 m

Lấy momen đối với điểm B ta có:
=0

-

Phản lực theo phương đứng:
Lấy momen đối với điểm 0:
=0

Tại vị trí gối đỡ N1, N2 có lực ma sát của gối động.
Chọn ổ bi gắn ở gối động tại 2 vị trí trên có hệ số ma sát ở điều kiện tĩnh là 0, 5
(hệ số được áp dụng cho vật liệu là thép- thép, (tra bảng 10.2/ thiết bị thuỷ công
cấu tạo và ứng dụng/ PGS.TS Nguyễn Đăng Cường)
Chọn bán kính sơ bộ của ổ đỡ:
Ta chọn vật liệu của ổ đỡ là thép CT3, có ứng suất cắt Rc = 895 daN/cm2.
Diện tích của mặt cắt ngang ổ đỡ là:

A=

R 84.96
=
= 9, 5(cm 2 )
Rc
8, 95

Mặt khác:

A=

π.

R2

=4,13(

cm 2

)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 14

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

⇒R=

9,5
= 1, 74(cm)
3,14
.

Ta chọn bán kính của ổ là 2cm = 0,02m
 Mô men do lực ma sát đối với tâm

quay :
M1 = 0,5.f.(N1.2.R+0,5.G.d2)
=0,5.0,5.(7,48.2.0,02+0,5.18,253.0,05)
= 0,30298 ( KN.m )
Trong đó d2 là đường kính ngõng cửa
dưới ( lấy bằng 0,05)
 Mô men do áp lực của cột nước thuỷ

m
87
8
,
2

tĩnh chênh lệch lúc mở cửa
M2=0,5ΔH.L.Hn=0,5.0,3.2,887.3,5
= 1,516( KN.m )
Trong đó:

m
0,5

Hn là chiều cao ngập nước
hình 2.3: sơ đồ bố trí xilanh lên cửa
van
ΔH là chênh lệch cột nước lúc mở cửa (0,2÷0,4m)
 Tính mô men quán tính của khối nước do sự di chuyển của cánh cửa tạo ta:
Trong đó:
: vận tốc bình quân của cửa khi di chuyển.
φ: là góc quay của cửa (radian).

t0 : thời gian mở cửa (s).
M3=0,15.3,5.2,8872.0,01262= 0,000695(KN.m)
 M4: mô men quán tính của cửa khi khởi động từ vị trí ban đầu.
Giả sử chọn vị trí đặt xi lanh tại điểm M cách gối quay 1 đoạn bằng 0,5( m)
Chọn góc giữa cần xilanh với dầm đỉnh của cửa van là 30 0
Lực cửa van được xác định theo công thức:
trong đó : F là lực kéo, đẩy cần thiết để đóng mở cửa vạn.
M là mô men quán tính khi đóng mở cửa.
d: là cánh tay đòn từ điểm kéo tới tâm quay.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 15

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 16

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Bảng 2.2 : tổng hợp các thông số được tính toán :
Giá trị tính toán
Chiều rộng cửa (L)
Áp lực nước (P)

Phản lực 2 cánh cửa ( R )
Phản lực nối tâm (S)
Phản lực gối đỡ vuông góc (T)
Áp lực nước lên 2 đầu dầm (N)
Trọng lượng 1 cửa van (G)
Lực đóng mở cửa van (F)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Giá trị
2,887
84,96
84,96
73,6
42,48
326,94
18,253
7285,2

Trang: 17

Đơn vị
m
KN
KN
KN
KN
KN
KN
KN

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN XI LANH THUỶ LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN
3.1. Tính toán các kích thước cơ bản của xilanh.
Hành trình xilanh
Thông thường trong công nghiệp áp suất làm việc của xilanh nằm trong giải từ
10 - 40 (Mpa). Do vậy ta chọn áp suất làm việc của xi lanh P 1 =10 (Mpa)
Diện tích F1 cần có để tạo được lực kéo F được tính theo công thức sau:

p

p
Pc = Ptl .ηck = ( p1.F1 − p2 .F2 ) η ck = F1  1 − p2 ÷η ck ≈ F1 1 .ηck
ψ
ψ

Trong đó: D là đường kính của piston(chính là đường kính của xilanh)
d là đường kính của cán piston
ɳ ck là hiệu suất chuyển đổi cơ khí sang thủy lưc.(ɳck =0,95)
Tỉ lệ ψ = d/D = (0,5 ÷ 0,8) (TCVN 8300-2009/10) .Ta chọn d=0.8D
F1 =
Do đó:
D=

Suy ra :

ψ .Pc 0,8.7285, 2
=
= 613,5( mm2 )
p1.ηck
10.0,95

F .4
=
π

613, 5.4
= 28(mm)
3.14

= 2,8 (cm)

Do đó d = 0,8D =0,8.2,8 = 2,24 (cm)
Vậy ta chọn đường kính xi lanh tính toán của piston là D = 6cm., đường kính
cán piston là d= 3 cm
Chọn xi lanh D100MP1-60/30 của công ty MTS có D = 60(mm), d = 30(mm).
Tính lại lực kéo của xi lanh:
= 40270,5 (N) > 7285,2 (N)
Kết luận: Xi lanh đảm bảo yêu cầu nâng hạ cửa van.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 18

Lớp: 53M-TBTC

Đồ án thiết bị thuỷ công
3.2. Xác đinh lưu lượng cần thiết cung cấp cho nguồn.
a) Xác định lưu lượng cần thiết cung cấp cho hệ thống làm việc gồm 2 xi
lanh
Diện tích của khoang làm việc dưới là:
F1 =

π
π
D 2 − d 2 ) = ( 0, 06 2 − 0, 032 ) = 2,12.10 −3 ( m 2 )
(
4
4

Diện tích của khoang làm việc trên là:
F2 =

π 2 π
.D = .0, 06 2 = 2,83.10 −3
(m 2 )
4
4

Thể tích làm việc hữu ích khoang dưới xilanh:

V1 = F1.S = 2,12.10−3.0,3 = 6,36.10−4 ( m3 )
Thể tích làm việc hữu ích khoang trên xilanh:

V2 = F2 .S = 2,83.10−3.0,3 = 8,5.10−4 (m3 )

Lưu lượng cần thiết cung cấp cho 2 xilanh cho 1 hành trình làm việc như sau:
Q=

2.V
t

Thời gian nâng, hạ cửa van là :

t1

= 2 phút.,

t2

= 2 phút

Vậy lưu lượng cần cho hệ thống khi :
Q1 =

Nâng cửa van:
Q2 =

Hạ cửa van :
Vậy ta chọn Q =
Q1

Q2

2.V1 2.6,36.10 −4.103
=

= 0, 636
t1
2
−4

(l/phút)

3

2.V2 2.8,5.10 .10
=
= 0,85
t2
2

(l/phút)

=0,85 ( l/phút) là lưu lượng cần cung cấp cho hệ thống (do

Q2

)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 19

Lớp: 53M-TBTC

>

Đồ án thiết bị thuỷ công
b) Vận tốc nâng, hạ cửa van.
Vn =

Vận tốc đóng cửa van:
Vh =

Vận tốc mở cửa van :

S 0, 3
=
= 0,15
t1
2

S 0, 3
=
= 0,15
t2
2

(m/phút)

(m/phút)

c) Tính toán đường kính ống hút và ống đẩy
Vh =

Vận tốc dòng chất lỏng trong ống hút tính theo công thức sau :
Thông thường thì

dh =

V hút = ( 0,5 ÷ 1,5)(m / s )

. Ta chọn

Vhut

4Q
π .d h2

= 0,75 (m/s).

4.Q
4.0,85.10−3
=
= 4,9.10−3 (m)
π .vh
π .60.0,75

Chọn dh =10 (mm)
v d = 2 m / s v max = 5 m / s
Tương tự với ống đẩy chọn
<
để giảm tổn thất thủy lực

trong đường ống.

dd =

Đường kính ống đẩy là:

4.Q
=
π .vd

4.0,85.10−3
= 3.10−3
π .60.2

m

Chọn dđ = 10(mm)
d) Tính toán, chọn bơm và động cơ điện (dẫn động) làm việc cho hệ thống
-

Tính toán, chọn bơm thủy lực.
Bơm làm việc cho hệ thống phải đảm bảo cung cấp đủ lưu lượng dầu cho hệ
thống làm việc được xác định qua công thức sau :
Qb

= 2.Q = 2.

Q2

= 2. 0,85 = 1,7 (l/phút)

Đồng thời bơm phải tạo ra áp suất cho hệ thống là :

p ht

= 10 Mpa

Tra catalog t chọn bơm bánh răng BHP 280-D-3-FAx
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 20

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Có :

lưu lượng riêng q = 3cm3/vòng.
áp suất đầu ra khỏi bơm 100 bar.
áp suất đầu ra lớn nhất 180 bar.
tốc độ quay từ 800 ÷ 4000 vòng/phút.

-

Tính toán, chọn động cơ điện dẫn động cho bơm

N dc =

Q b Pb
η

Công suất động cơ cần là :

η
η
η
Trong đó :
là hiệu suất của bơm : = 0,75 ÷ 0,85. Ta lấy = 0.8
N dc

Suy ra:

Qb . pb 1, 7.10 −3.10.106
=
=
= 0, 56
612.η
60.612.0,8

kW

Tra theo Catalog động cơ điện 3 pha , ta chọn loại máy có kí hiệu 3K100s6, có công
suất N = 0,75 kW, số vòng quay là n = 940 v/ph.
Kiểm tra thông số bơm đã chọn:
Bơm đã chọn đảm bảo về cột áp và lưu lượng cho hệ thống.
e) Tính toán kiểm tra ổn định và độ bền của cần piston
Độ mảnh
λ=

được tính theo công thức sau:

4.Lk
d

Trong đó:
Lk

λ

Lk

-là chiều dài khi duỗi hết.Trong trường hợp này

= L = 2.S = 2.0,3 =0,6 (m) =600 (mm)

d - là đường kính cần piston
→λ =

4.Lk 4.600
=
= 800
d
0, 03

Xác định lực tới hạn chịu nén theo công thức Eler (Khi
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

λ

=800>

Trang: 21

λo

=89) :
Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Pth =

π 2 .E . I
v.L2k

Trong đó: E = 210000 N/

mm 2

– là mô đun đàn hồi của thép cán piston

π .d 4 π .304
=
= 39, 74.103
( mm 4 )
64
64

I –là mô men quán tính :I =
v
v
- là hệ số an toàn. Ta chọn =3

Suy ra :

π 2 .210000.39, 74.103
Pth =
3.600 2

= 24263,5 N = 24,26 (KN)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 22

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
Bảng 3.1 : bảng tổng hợp các thông số tính toán :
Thông số tính toán
Hành trình xilanh (S)
Áp suất làm việc của xilanh (Pc)
Đường kính piston
Đường kính cán piston
Lưu lượng cung cấp cho hệ thống (Q)
Vận tốc nâng hạ cửa van (V)
Đường kính ống hút (dh)
Dường kính ống đẩy (đđ)
Chọn bơm BHP 280-D-3-FAx
Chọn động cơ 3K100s6 để dẫn động
bơm

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Giái trị
0,3
10
6
3
0,85
0,15
10
10
3

Đơn vị
m
MPa
cm
cm
l/phút
m/phút
mm
mm
cm3/vòng

0,75

KW

Trang: 23

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công

CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ MẠCH THUỶ LỰC
4.1. Yêu cầu chung của mạch và xilanh làm việc
a)

Yêu cầu của mạch thủy lực

-

Mạch thủy lực làm việc phải có độ an toàn và tin cậy cao, nhờ các loại van trong hệ

-

thống mạch như van an toàn tránh cho áp suất hệ thống quá cao.
Trong điều khiển mạch thủy lực thì khả năng tự động hóa cần phải đạt được.
Mạch cung cấp đủ lưu lượng cần thiết cho xilanh để điều khiển quá trình nâng, hạ

-

cửa van.
Duy trì một mức áp suất ổn định.
Tổn thất thủy lực nhỏ, không rò rỉ.
Đảm bảo độ đồng tốc của 2 xilanh.
Đảm bảo vẫn đóng mở được cửa van trong một số trường hợp đặc biệt mà lực đóng

-

mở tăng đột biến.
Có tuổi thọ cao, tương đương với tuổi thọ của cửa van.
b)

Yêu cầu của xilanh nâng, hạ cửa van chữ nhân.
Máy đóng mở kiểu xilanh thủy lực làm việc dựa trên nguyên lý thủy lực thể

tích, có môi trường làm việc là chất lỏng. Hệ thống đóng mở cửa van chữ nhân
bằng hai xilanh đáp ứng được các yêu cầu :
-

An toàn và tin cậy khi làm việc trong mọi trường hợp.
Đáp ứng được yêu cầu về lực đóng mở.
Thời gian đóng mở nhanh, linh hoạt (đuôi xilanh có tai lắp với trục quay và hai tai

-

của bệ gối đỡ cố định trên công trình bằng bu lông).
Mức độ tự động hóa cao.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 24

Lớp: 53M-TBTC


Đồ án thiết bị thuỷ công
4.2. Sơ đồ hệ thống thuỷ lực.

16

18

17

14

15

13

11
08
06

12

M

07

09

10
05

04

02

03

01

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Huy

Trang: 25

Lớp: 53M-TBTC