Mô phỏng, tính toán máy ép thủy lực 400 tấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

-1đại học quốc giahà nội

viện khoa học và công nghệ việt
nam

tr-ờng đại học công nghệ
viện cơ học

phan thành thiết

Mô phỏng, tính toán máy ép thủy lực 400 tấn
bằng ph-ơng pháp phần tử hữu hạn

Chuyên ngành: Cơ học Vật thể rắn
Mã số: 60 44 21

luận văn thạc sĩ


-2Mở đầu
Đất n-ớc ta hiện nay đang trên con đ-ờng công nghiệp hoá, hiện đại hoá.
Hoà cùng quá trình đó là sự phát triển tất yếu của ngành cơ khí. Trong đó, gia
công áp lực cũng đang từng b-ớc đổi mới và đạt đ-ợc nhiều thành tựu quan
trọng. Ngày nay, có rất nhiều sản phẩm cơ khí đ-ợc gia công bằng ph-ơng
pháp này. Để đáp ứng yêu cầu sản xuất và tiết kiệm ngoại tệ trong việc nhập
khẩu thiết bị, máy móc thì việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị gia công áp
lực trong n-ớc là việc cần thiết.
Đề tài nêu toàn bộ quá trình tính toán thiết kế máy ép thủy lực 400 tấn,
dùng trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực. Các nội dung nghiên cứu, tính
toán, thiết kế bao gồm:
Hệ thống thủy lực.

Hệ thống điều khiển.
Khung kết cấu của máy ép.
Qua đó đánh giá, phân tích, so sánh kết quả tính toán với số liệu thực tế
nhằm nêu rõ sự lợi ích của việc ứng dụng tính toán trong thiết kế chế tạo máy
ép thuỷ lực cũng nh- các loại máy khác.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ của Tr-ờng
Đại học Công nghệ, đặc biệt là GS. TSKH. Đỗ Sanh đã giúp đỡ tác giả trong
quá trình học tập tại tr-ờng và thực hiện tốt luận văn này.


-3Ch-ơng I:
Tổng quan về máy ép thủy lực
Các loại máy ép thủy lực
Đặc điểm nổi bật của máy ép thủy lực là khi gia công trên những tấm phôi
mỏng, do lực ép tĩnh nên nó đảm bảo cho phôi ép không bị đứt ngay cả khi lực
tác dụng lớn.
Thông số chính của máy ép thủy lực là lực ép định mức PH từ các xilanh
công tác của máy ép.
Theo chức năng công nghệ thì máy ép thủy lực đ-ợc chia ra máy ép vật
liệu kim loại và máy ép vật liệu phi kim.
Máy ép vật liệu kim loại
+ Để rèn dập
Máy ép để rèn-rèn tự do có dập trong khuôn, PH=520MN;
Máy ép để dập-dập nống các chi tiết Magiê và hợp kim nhôm,
PH=10700MN;
Máy ép đột-để đột nóng các phôi trong cối kín,PH=1,530MN;
Máy ép để chuốt kéo - chuốt kéo các phôi rèn qua các
vòng,PH=0,7515MN.
+ Để ép chảy
Máy ép thanh-ống,dùng để ép kim loại màu và thép, PH=0,4120MN.

+ Để dập tấm
Máy ép dập tấm kiểu tác dụng đơn giản, PH=0,510MN; Máy ép vuốt để
vuốt sâu các chi tiết hình trụ, PH=0,34MN;Máy ép để gấp mép, tạo mặt bích,


-4để uốn và dập các loại tấm dày,PH=345MN; Máy ép để lốc, để uốn vật liệu
dày và nóng, PH=3200MN
+ Để thực hiện công việc lắp ráp
+ Để xử lý các phế liệu kim loại
Máy ép đóng gói và đóng bánh,đ-ợc dùng để ép các phế liệu nh- phoi kim
loại, PH=16MN
Máy ép vật liệu phi kim loại
Gồm có máy ép cho các loại bột, chất dẻo và để ép các tấm phôi gỗ,gỗ
dán..
Nguyên lý hoạt động chung
Máy ép thủy lực hoạt động hầu nh- theo tác dụng tĩnh (hình 1.1). Nguyên
lý hoạt động của máy ép thủy lực dựa trên cơ sở của định luật Pascal. ở dạng
chung nhất thì máy ép gồm có 2 khoang: xilanh có piston và các đ-ờng ống
nối.

P1
3

1

P2

f1
2
f2

p
p

Hình 1.1: Nguyên lý họat động của máy ép thủy lực


-5-

Nếu nh- đặt lực P1 vào piston 1 thì nó sẽ tạo ra áp suất p=P1/f1.Theo định
luật Pascal thì áp suất p đ-ợc truyền tới tất cả các điểm của thể tích chất lỏng
và do có h-ớng tác dụng vuông góc với mặt đáy của piston 2,nó sé tạo ra lực
P2=p.f2 tác dụng lên phôi 3.
Trên cơ sở định luật Pascal ta có: P2 P1 .

f2
f1

Diện tích f2 lớn hơn diện tích f1 bao nhiêu lần thì lực P2 sẽ lớn hơn lực P1
bấy nhiêu lần.
Các bộ phận chính của máy ép thủy lực
Khung máy và đồ gá
Khung và đồ gá máy ép thủy lực là kết cấu đ-ợc tính toán, thiết kế và chế
tạo từ kim loại(th-ờng là thép) đảm bảo đủ độ bền, độ biến dạng và tuổi thọ
cần thiết để chịu đ-ợc tải trọng làm việc yêu cầu. Tuỳ thuộc vào tính chất,
nhiệm vụ công việc mà khung và đồ gá có kết cấu, hình dáng, kích th-ớc khác
nhau.
Hệ thống thủy lực
Hệ thống thủy lực bao gồm có dầu thủy lực, các bơm, các xilanh và các
van kết hợp với nhau để điều khiển hoạt động của máy theo yêu cầu công

nghệ cụ thể.
Hệ thống điều khiển
Thực hiện việc đóng mở các bơm, thay đổi trạng thái của các van... Tuỳ
theo yêu cầu công nghệ mà sử dụng các hệ điều khiển dạng mạch logic cứng
hay điều khiển theo ch-ơng trình PLC, thông th-ờng hệ thống điều khiển bao


-6gồm: công tắc hành trình, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến báo
mức dầu, rơle trung gian, khởi động từ...
Máy ép thủy lực trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực
Công

nghệ

chế

tạo

các

bồn

chứa

thể

tích

lớn,

chịu áp suất cao
Để gia công chế tạo các bồn chứa thể tích lớn, chịu áp suất cao (hình 1.2)
cần có các công đoạn sau:
+ Phần thân trụ: đ-ợc chế tạo trên máy lốc tôn.
+ Phần chỏm cầu (hình 1.3): đ-ợc ép tạo hình sơ bộ trên máy ép thủy lực
sau đó gia công tinh trên máy vê chỏm cầu (hình 1.4).
+ Ghép nối phần thân trụ và chỏm cầu, chế tạo các chi tiết phụ nh- nắp,
van xả, chân... sơn và có thể phải bọc bảo ôn hay cách nhiệt.

Hình 1.2: Bồn chứa CO2 lỏng


-7-

H×nh 1.3: PhÇn chám cÇu

H×nh 1.4: M¸y vª chám cÇu.


-8-

Yêu cầu công nghệ đối với máy ép thủy lực
Với yêu cầu chế tạo các bồn chứa có đ-ờng kính tối đa 6m thì các yêu cầu
đối với máy ép thủy lực này là:
Không gian làm việc cần thiết của máy ép là: dài x cao = 6,8m x 2m để
công nhân có thể đứng thoải mái khi thao tác trong lòng máy ép,
Lực ép tối đa 400 tấn (kết quả từ bài tính lực ép khi gia công chỏm cầu).
Vận tốc của piston khi chạy không (đi xuống, áp suất thấp): 2m/phút.
Vận tốc của piston khi ép (áp suất cao): 0.5m/phút.
Phần sau của luận văn trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế máy

ép này.

Ch-ơng II


-9Hệ thống thủy lực

2.1 Một số tính chất cơ bản của chất lỏng
2.1.1 Tính liên tục
Đối với các máy thủy lực thông th-ờng thì chất lỏng đ-ợc coi nh- một môi
tr-ờng liên tục, đồng nhất, đẳng h-ớng. Các yếu tố thủy lực nh- vận tốc, áp
suất... là hàm số liên tục và đạo hàm cũng liên tục. Lực liên kết giữa các phần
tử chất lỏng rất nhỏ nên chất lỏng có tính di động cao, tích chống lực kéo và
lực cắt rất yếu. Nh-ng chất lỏng có tính chống nén rất lớn.
2.1.2 Chất lỏng có khối l-ợng và trọng l-ợng
Chất lỏng có khối l-ợng, gọi thể tích chất lỏng là V(m3), khối l-ợng là
M(Kg) thì tỷ số:


M
( Kg / m 3 )
V

(2.1)

đ-ợc gọi là khối l-ợng riêng hoặc khối l-ợng đơn vị của chất lỏng hay mật
độ của chất lỏng.
Trọng l-ợng riêng của chất lỏng ký hiêu là :
g ( N / m 3 )

(2.2)

ở đây g là gia tốc trọng tr-ờng g=9.81 m/s2 10 m/s2
Tỷ trọng của chất lỏng, ký hiệu , là tỷ số giữa trọng l-ợng riêng của chất
lỏng và trọng l-ợng riêng của n-ớc ở 4oC:


2.1.3 Tính nén của chất lỏng

cl
H 20

(2.3)


- 10 Khi áp suất tác động lên chất lỏng thay đổi thì làm cho thể tích chất lỏng
thay đổi theo. Đó là tính nén đ-ợc của chất lỏng, nó đ-ợc đặc tr-ng bởi hệ số
nén :


Trong đó:

1 dV 2
(m / N )
V dp

(2.4)

V(m3): Thể tích của chất lỏng
p(N/m2): áp suất của chất lỏng

Lấy dấu trừ (-) để cho >0 vì

dV
0
dp

Số nghịch đảo của :
E

1



(N / m2 )

(2.5)

gọi là mô đun đàn hồi thể tích.
Vì sự thay đổi thể tích theo áp suất của chất lỏng là rất bé nên trong thủy
lực học ng-ời ta coi chất lỏng là không nén đ-ợc, trừ một số tr-ờng hợp đặc
biệt.
2.1.4 Tính nhớt của chất lỏng
2.1.4.1 Giả thiết Niutơn
Khi có chuyển động t-ơng đối giữa các lớp chất lỏng với nhau thì sinh ra
lực nhớt, ứng suất tiếp của nó tỷ lệ với đạo hàm của vận tốc theo ph-ơng thẳng
góc với h-ớng dòng chảy, tức là:


du
dn

(2.6)

Trong đó hệ số tỷ lệ đặc tr-ng cho tính nhớt đ-ợc gọi là hệ số nhớt động
lực hoặc độ nhớt động lực, đơn vị đo là: Ns/m2
du
: Gradien vận tốc theo ph-ơng n thẳng góc với h-ớng dòng chảy.
dn


- 11 -

Kết luận

Luận văn đã trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế máy ép thủy lực
400 tấn dùng trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực. Các công việc đã thực
hiện bao gồm:
Hệ thống điều khiển: Trình bày khái quát các nhiệm vụ và yêu cầu đối với
một hệ thống điều khiển, thiết kế hệ thống điều khiển phù hợp với yêu cầu
công nghệ và tiện lợi đối với ng-ời sử dụng.
Hệ thống thủy lực: Trình bày khái quát các thông số cơ bản, nhiệm vụ và
yêu cầu đối với các máy thủy lực. Thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép phù
hợp với yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên, áp suất làm việc của hệ thống rất cao,
điều này cần phải chú ý khi lựa chọn các thiết bị cũng nh- khi lắp đặt hệ
thống thủy lực.
Khung máy ép: Trình bày khái quát về ph-ơng pháp PTHH, các thông số
cơ bản của phần tử tứ diện bốn nút. Sử dụng phần mềm CosmosDesignStar4.0
để tính toán, thiết kế khung máy ép. Sau nhiều lần hiệu chỉnh, đã hoàn thành
việc thiết kế khung với hình dáng đơn giản, trọng l-ợng nhỏ đảm bảo tiết kiệm
chi phí vật t- và thời gian chế tạo.

Hiện tại, máy ép thủy lực này đã đ-ợc lắp đặt và đi vào hoạt động tại Công
ty Thiết bị áp lực Than Nội địa, góp phần nâng cao hiệu quả làm việc, giải
phóng ng-ời lao động khỏi các công việc nặng nhọc tr-ớc đây.


- 12 -

Danh mục tài liệu tham khảo
[1]. TS Phùng văn Kh-ơng, ThS Phạm Văn Vĩnh (2001). Thủy lực và máy
ép thủy lực. Tr-ờng Đại học giao thông vận tải Hà Nội.
[2]. Phạm Văn Nghệ, Đỗ Văn Phúc (2005). Máy búa và Máy ép thủy lực.
NXB Giáo Dục.
[3]. Phạm Công Ngô (2001). Lý thuyết điều khiển tự động. NXB Khoa học
và Kỹ thuật.
[4]. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2003). Ph-ơng pháp phần tử hữu
hạn lý thuyết và lập trình. NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.


- 13 -

Phô lôc 1:
B¶n vÏ khung m¸y Ðp


- 14 -

Phô lôc 2:
B¶n vÏ quy tr×nh chÕ t¹o
khung m¸y Ðp

- 15 -

Phô lôc 3:
B¶n vÏ mãng m¸y Ðp