tính toán thiết kế hệ thống truyền động thủy lực của cần trục thủy lực di chuyển bánh xích với p = 16 MPa và g = 15 tấn

Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Mục Lục
Lời mở đầu
1. CHỌN MÁY MẪU HITACHI KH100-D
1.1. Giới thiệu về cần trục bánh xích
1.2. chọn máy mẫu Hitachi KH100-D
2. SƠ ĐỒ THỦY LỰC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
2.1. Sơ đồ thủy lực
2.2. Nguyên lý hoạt động
3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
3.1. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cần
3.1.1. Tính lực tác dụng lên cần trục
3.1.2. Tính toán lực tác dụng lên động cơ thủy lực
3.1.3. Lưu lượng của động cơ thủy lực
3.1.4. Phương trình cân bằng lực của cụm xilanh nâng hạ cần
3.1.5. Lưu lượng cung cấp cho 2 xilanh nâng hạ cần.
3.1.6. Tính toán đường ống thủy lực và bơm nguồn.
3.2. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ hàng
3.2.1. Tính toán lực tác dụng lên động cơ thủy lực
3.2.3. Lưu lượng của động cơ thủy lực
3.3. Tính toán cho hệ thống di chuyển bánh xích
3.3.1. Tính toán các thông số bánh xích
3.3.2. Lưu lượng của động cơ thủy lực di chuyển bánh xích
3.4. Tính toán cho hệ thống quay toa
3.5. Tính toán đường ống thủy lực cho 3 hệ thống: nâng hạ hàng, quay toa, di chuyển .
4. HƯ HỎNG VÀ BIỆN PHÁP SỬA CHỮA CẦN TRỤC.
5. ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ VÀ KĨ THUẬT.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO.

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 1

Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực

Lời mở đầu
Hiện nay, hầu hết trên các máy công trình hay thiết bị nâng chuyển và kể cả các loại
ôtô thì không thể thiếu hệ thống thủy khí. Thủy khí đóng một vai trò rất quan trọng trong
sự phát triển của nền công nghiệp ôtô. Là một người kỹ sư, một người thợ về cơ khí động
lực không thể nào không nghiên cứu về lĩnh vực này.
Kiến thức mà học phần truyền động thủy khí động lực mang lại là giúp chúng ta xây
dựng được một hệ thống thủy lực từ đó chúng ta vận dụng kiến thức của học phần thủy khí
và máy thủy khí để tính toán thiết kế và chọn các phần tử thủy lực thích hợp.
Học phải đi đôi với hành và đồ án học phần thiết kế hệ thống truyền động thủy khí
động lực là cơ hội để chúng ta vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Không chỉ
vậy, qua việc làm đồ án chúng ta còn có thêm khả năng đọc catalogue, đọc và hiểu được sơ
đồ thủy lực của một số máy nâng chuyển. Đồng thời trau dồi tiếng anh chuyên ngành.
Đề tài em chọn là tính toán thiết kế hệ thống truyền động thủy lực của cần trục thủy
lực di chuyển bánh xích với p = 16 MPa và G = 15 tấn. Do lần đầu làm quen với việc tính
toán thiết kế hệ thống thủy lực lắp trên máy nên bài làm cũng không tránh khỏi sai sót,
mong quý thầy cô thông cảm và góp ý cho em để hoàn thành đồ án được tốt hơn.
Đà nẵng, ngày … tháng … năm 2017
Sinh viên thực hiện
Cao Văn Trung

1. Chọn máy mẫu(catalog) :
1.1. Giới thiệu chung về cần trục bánh xích :
Cần trục là một loại máy móc thiết bị nâng hạ. Đặc điểm chung của cần trục là hệ máy
móc kết hợp sử dụng dây cáp cùng hệ pa lăng để treo móc vật nâng, và thường dùng cơ cấu
tay cần hay dầm cầu hoặc khung cổng để cẩu các vật nặng thi công, lắp ráp các công trình
xây dựng, hay cẩu bốc xếp hàng hoá.
Cẩu bánh xích là loại cẩu có bộ phận di chuyển là bánh xích, sức nâng của cẩu bánh

xích được thiết kế lớn hơn sức nâng của cẩu bánh lốp rất nhiều
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 2


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
• Ưu, nhược điểm của cần trục bánh xích
- Ưu điểm :

+ Tải trọng nâng lớn có thể lên đến 3500 tấn đối với cần trục xích chuyên dung
+ Chiều cao nâng có thể lên đến 55 m
+ Làm việc không cần chân tựa như cần trục bánh lốp, có thể thay đổi khoảng cách
giữa 2 dãi xích
+ Có khả năng di chuyển ổn định trên các loại địa hình, đặc biệt là các địa hình có
nền đất mềm mà không bị mắc kẹt. Do đó cẩu xích có thể di chuyển đến một vùng
làm việc nào đó chưa được tính toán trước về nền đất mà không lo mắc kẹt.
+ Độ ổn định làm việc cao
- Nhược điểm:
+ Tốc độ di chuyển khá chậm ( 1,5-3,6 km/h )
+ Khó khăn khi di chuyển đường xa. Khi di chuyển từ công trường này đên công
trường khác phải có thiết bị vận tải chuyên dùng => chi phí cho vận chuyển lớn
+ Trọng lượng xe lớn
• Phạm vi sử dụng :
Do tải trọng nâng lớn, khả năng di động vạn năng nên cần trục bánh xích được sử dụng
rộng rãi trên các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, và hoàn toàn có khả
năng thay thế các cần trục tháp chuyên dụng

1.2 . Chọn máy mẫu : Hitachi KH100-D
Tên máy : Hitachi KH100-D

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 3

Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực

Đặc tính kĩ thuật:
Thông số chung :
Trọng lượng hoạt động
Kích thước vận chuyển

30000 kg

Rộng
Cao

3300mm
3175mm

Động cơ
Mã hiệu
Hãng sản xuất
Công suất bánh đà

H06C-T
Hino
110KW

Tốc độ động cơ khi không tải

2000 vòng/phút

Momen xoắn lớn nhất
Số xi lanh
Dung tích buồng đốt

530 N.m
6
6845 cm3

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 4


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Hệ thống thủy lực
Kiểu bơm thủy lực
Áp suất làm việc của hệ thống
Lưu lượng

Piston roto hướng trục (thay đổi)
27.4 MPa
400 lít/phút

Cơ cấu quay
Tốc độ quay

4 vòng/phút

Bộ di chuyển
Tốc độ di chuyển
Khả năng leo dốc
Áp suất tác dụng lên đất

Chiều dài dải xích
Chiều rộng dải xích
Chiều rộng guốc xích

1.8 km/h
22º
0.55 KN/m2
4490 mm
3300 mm
760 mm

Cần nâng
Chiều dài cơ sở
Chiều dài lơn nhất

10000 mm
34000 mm

Móc chính
Tốc độ nâng
Khả năng nâng

70 m/phút
30 tấn

Móc phụ
Tốc độ nâng
Khả năng nâng

70 m/phút

5 tấn

2. Sơ đồ thủy lực và nguyên lý hoạt động
2.1. Sơ đồ thủy lực (bảng vẽ A3)
2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực gồm có 4 phần :
- Hệ thống nâng hạ cần:
Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu nâng hạ cần được điều khiển nhờ van phân phối 6a,
cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 12a để điều khiển cơ cấu phanh 11a cho
động cơ thủy lực nâng hạ cần hoạt động
Khi làm việc ở chế độ nâng cần, cơ cấu phân phối (6a) được đẩy ở vị trí (I). Dầu từ
thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2a), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van
một chiều(4a), qua cơ cấu phân phối (6a) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng cần (10) thực
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 5


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
hiện việc nâng cần, đồng thời cấp dầu vào khoang trên của xilanh thủy lực để rút cần
piston về, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại thùng
chứa .
Ngược lại, khi làm việc ở chế độ hạ cần, cơ cấu phân phối (6a) được đẩy ở vị trí (III).
Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2a), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi
qua van một chiều(4a), qua cơ cấu phân phối (6a) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng cần
(10) thực hiện hạ cần, đồng thời cấp dầu vào khoang dưới của xilanh thủy lực để đẩy cần
piston đi ra, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại thùng
chứa .
Khi đẩy con trượt ở vị trí II:. Dầu từ bơm (2a) qua van an toàn (3a) trở về thùng chứa.
Hệ thống di chuyển bánh xích .
Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu di chuyển bánh xích được điều khiển nhờ van phân
phối 6b, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 12b để điều khiển cơ cấu phanh

11b,11c cho động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên trái và bên hoạt động đồng thời với
nhau tạo nên chuyển động .
Khi làm việc ở chế độ di chuyển tới, cơ cấu phân phối (6b) được đẩy ở vị trí (I). Dầu từ
thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van
một chiều(4b), qua cơ cấu phân phối (6b) đến động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên
trái (13) và động cơ thủy lực di chuyển bánh xích bên phải (14) thực hiện việc di chuyển
tới, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu (5b) qua lọc dầu (1)
về lại thùng chứa .
-

Ngược lại, khi làm việc ở chế độ di chuyển lui, cơ cấu phân phối (6b) được đẩy ở vị trí
(III). Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất
cao đi qua van một chiều, qua cơ cấu phân phối (6b) đến động cơ thủy lực di chuyển bánh
xích (13) và (14) và thực hiện di chuyển lui sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân
phối(6b) rồi qua tiết lưu(5b) qua lọc dầu (1) về lại thùng chứa
Khi đẩy con trượt ở vị trí II: Động cơ thủy lực thực hiện nâng hàng không hoạt động. Dầu
từ bơm (2b) qua van an toàn (3b) qua lọc dầu (1) trở về thùng chứa .
- Hệ thống nâng hạ hàng

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 6


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Động cơ thủy lực điều khiển cơ cấu nâng hạ hàng được điều khiển nhờ van phân phối
6d, cùng với sự tác động của người lái vào bàn đạp 12d để điều khiển cơ cấu phanh 11d
cho động cơ thủy lực nâng hạ hàng hoạt động
Khi làm việc ở chế độ nâng hàng, cơ cấu phân phối (6d) được đẩy ở vị trí (I). Dầu từ
thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van
một chiều(4d), qua cơ cấu phân phối (6d) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng (15) thực
hiện nâng hang, sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu(5d) về lại

thùng chứa .
Ngược lại, khi làm việc ở chế độ hạ hàng, cơ cấu phân phối (6d) được đẩy ở vị trí (III).
Dầu từ thùng chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi
qua van một chiều, qua cơ cấu phân phối (6d) đến động cơ thủy lực kéo tời nâng hàng (15)
thực hiện hạ hàng sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu về lại
thùng chứa .
Khi đẩy con trượt ở vị trí II: Động cơ thủy lực thực hiện nâng hàng không hoạt động. Dầu
từ bơm (2b) qua van an toàn (3d) trở về thùng chứa .
-Hệ thống quay toa
Khi quay toa sang trái cơ cấu phân phối (6e) ở vị trí (I). Dầu từ thùng chứa được hút lên
nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một chiều, qua cơ cấu
phân phối (6e) đến động cơ thủy lực quay toa (16) sau đó dầu sẽ được chuyển qua cơ cấu
phân phối rồi qua tiết lưu(5e) về lại thùng chứa .
Ngược lại, Khi quay toa sang phải cơ cấu phân phối (6e) ở vị trí (III). Dầu từ thùng
chứa được hút lên nhờ bơm (2b), cung cấp dòng dầu làm việc áp suất cao đi qua van một
chiều, qua cơ cấu phân phối (6e) đến động cơ thủy lực quay toa (16), sau đó dầu sẽ được
chuyển qua cơ cấu phân phối rồi qua tiết lưu(5e) về lại thùng chứa .
Hệ thống được phanh bằng cách ngắt dòng dầu đến động cơ thủy lực, đẩy cơ cấu phân
phối (6e) sang vị trí (II) kết hợp cơ cấu phanh đĩa thủy lực (17), nhờ điều khiển cần (8) tác
dụng vào piston của xilanh bầu phanh (7) cấp dầu cho xilanh con, thực hiện công việc
phanh động cơ thủy lực
Trên đường ống đẩy của các bơm ta có đặt một van an toàn loại tràn, nó có nhiệm vụ bảo
đảm cho hệ thống được an toàn khi quá tải và ổn định được áp suất làm việc cho hệ thống
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 7


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Dầu hồi chảy trong đường ống hồi dầu, qua các van tiết lưu, qua lọc dầu (1) về thùng
chứa. Ở đây ta dùng van tiết lưu điều chỉnh được và đặt ở lối ra động cơ thủy lực để điều
chỉnh vận tốc của động cơ thủy lực

3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
3.1. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cần
3.1.1. Tính lực tác dụng lên cần trục
- Tải trọng nâng : 15 tấn= 15000 kg
- Chọn vị trí làm việc tại góc α = 530
- Chọn thời điểm làm việc lúc cần nâng dài 16 m
- Khi đặt tải trọng vào cần trục : P = 15000.9,81 = 147150 N
- Trọng lượng của cần là : mC = 1520 kg => Gc= 1520.9,81= 14911,2 N
F1 : Lực giữ cần trục
F2 : Lực tác dụng vào xilanh nâng hạ cần trục
F3 : Phản lực tác dụng lên chổ đặt cần trục

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 8


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cần như sau:

Chọn thời điểm làm việc lúc cần nâng dài 16m, nên :
AC=16 m
AB=5,2 m
AD=10,72 m
AH1=AB*sin(21º)=1,86 m
AH2=AC*sin(29º)=7,76 m
Ta có hệ phương trình cân bằng :
∑Fx = 0 ⇔ F3.cos530 - F2.cos(530 -210 )- F1.cos(530 -290 )= 0
⇔ F3.cos530 - F2.cos320 - F1.cos240 =0
∑Fy = 0 ⇔ F3.sin530 - F2.sin(530 -290)- F1.sin(530 - 290 ) -P - Gc = 0
⇔ F3.sin530 - F2.sin320 - F1.sin240 = 181681,2
∑MA = 0 ⇔ F1.AH2 + F2.AH1 - Gc.AD.cos530 - P.AC.cos530 = 0

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 9


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
⇔ F1.7,76 + F2.1,86 = 1513112,3
Giải hệ phương trình ta được :
F1 = 192012,5 N
F2 = 12393,2 N
F3 = 308935,9 N
3.1.2. Tính toán lực tác dụng lên động cơ thủy lực nâng hạ cần

Động cơ thủy lực biến năng lượng thủy lực từ bơm dầu thành momen quay để dẫn động
tang tời quay tròn làm việc.
Trên xe cần trục bánh xích thì động cơ thủy lực kéo tời và động cơ thủy lực quay toa làm
việc với áp suất dầu rất cao (14 MPa). Vì công suất máy lớn và làm việc với momen cao và
áp suất cao. Chính vì lý do đó mà ta phải chọn loại động cơ thủy lực làm việc với áp suất
cao. Vì vậy ta chọn động cơ thủy lực loại piston roto hướng trục, vì loại này có đặc điểm
sau:
-

Áp suất làm việc không phụ thuộc vào lưu lượng và số vòng quay.
Dễ dàng điều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vòng quay không đổi.
Hiệu suất cao (tổn thất do cơ khí nhỏ, tổn thất rò rỉ ít). η = 0,97 – 0,98
Việc đưa chất lỏng vào ra khỏi xylanh thực hiện thông qua đĩa phân phối.

*Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Bơm-động cơ piston roto hướng trục
B

b

a
3

2

1

4

A

Hình 3.1. Bơm – Động cơ piston roto hướng trục
Máy piston roto hướng trục bao gồm khối xilanh (1) quay (còn gọi là roto) và một
đĩa nghiêng cố định (vành stato). Khi roto quay, do lực đẩy của lò xo mà đầu piston trụ (2)
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 10


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
sẽ tì vào mặt đĩa nghiêng (3), vì đĩa nghiêng một góc α so với đường tâm của trục roto nên
piston có chuyển động tịnh tiến trong khối xilanh, tạo nên các quá trình hút và đẩy của
bơm.
Mặt đáy của khối xilanh được lắp sát với một nắp cố định (4). Trên nắp có 2 rãnh
hình vòng cung A và B đóng vai trò bọng hút và bọng đẩy, hai rãnh này thông với 2 lỗ a và
b được khoan theo phương dọc trục của nắp (4) để dẫn chất lỏng ra vào. Nắp (4) đóng vai
trò đĩa phân phối.
Khi roto quay theo chiều mũi tên như hình vẽ, khi đầu piston tì trên nửa trái của đĩa
nghiêng thì piston có chuyển động đi ra, piston đang thực hiện quá trình hút. Lúc này lỗ
xilanh thông với rãnh vòng A trên đĩa phân phối, chất lỏng từ ống hút được hút vào xilanh
qua lỗ dẫn a trên đĩa phân phối; rãnh A lúc này đóng vai trò bọng hút.
Ngược lại, ở nửa vòng quay còn lại, đầu piston tì vào nửa bên phải của đĩa nghiêng,

piston chuyển động đi vào, lúc này lỗ xilanh thông với rãnh vòng B và lỗ dẫn b trân đĩa
phân phối, rãnh B lúc này đóng vai trò bọng đẩy.
Nếu máy piston roto hướng trục làm chức năng là động cơ thì áp suất chất lỏng tác
dụng lên piston làm đầu piston tì vào thành đĩa nghiêng, sinh ra momen làm roto quay.

** Tính toán :
π ⋅d
P = p.
4

2

- Áp lực tác dụng lên piston:
- Lực P thông qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực:
+ N = P.cosγ: thẳng góc với mặt phẳng đĩa bán kính R
+ Q = P.sinγ: nằm trong mặt phẳng đĩa, song song trục x.
- Lực Q gồm 2 thành phần:
+ Lực tiếp tuyến T = Q.sinϕ tạo momen quay
+ Lực hướng tâm Qn = Q.cosϕ

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 11


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
T
x

Q
Qn

ϕ

o

R

x

x

Q
P
x

N
y

- Momen do lực T tạo ra trên trục (tính cho 1 piston)
M = T.R = Q.sinϕ.R = R.P.sinγ.sinϕ
⇒

M = Rr.P.tgγ.sinϕ

- Tổng momen gây ra trên trục máy là tổng của momen do các piston đang chịu áp
lực gây ra
m

M Σ = P.R r .tg γ .∑ sin(ϕ + ia)
i =0

[170-2]

- Vì động cơ thủy lực piston roto hướng trục dẫn động tang tời để nâng hạ cần nên
momen gây ra trên tang cũng chính bằng momen gây ra trên trục máy.
F
.R
m
cangday tang
M = P.R .tg γ . ∑ sin(ϕ + ia) =
Σ
r
i
i=0

- Fcangday: Lực căng dây lớn nhất tác dụng vào tang khi nâng hạ cần.
Fcangday =

F1.(1 − η)
a

(1 − η ).η

m

Trong đó:
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 12


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
+ F1: Lực cần thiết để nâng cần. F1 = 192012,5 N

+ η : Hiệu suất của ròng rọc. Chọn η=0,97 với loại ổ lăn, điều kiện làm việc ở nhiệt
độ cao, bôi trơn kém.
+ a: Bội suất của Palăng. Chọn palăng có bội suất a=12
+ m: số ròng rọc dẫn về tang, không tham gia việc làm thay đổi bội suất. m=1
Vậy lực căng dây tác dụng lên tang:
Fcangday =

192012,5 .(1 − 0,97)
= 19396,97 N
(1 − 0,9712 ).0,97 1

- Rtang: bán kính tang tời kéo cáp nâng hạ cần. Lấy Rtang= 0,21 m
- i : Tỷ số truyền hộp giảm tốc, chọn i = 15
Vậy momen gây ra trên trục động cơ thủy lực:
m

M Σ = P.R r .tg γ .∑ sin(ϕ + ia) =
i =0

19396,97 × 0,21
= 271,56N.m
15

- Vận tốc chuyển động của động cơ thủy lực dẫn động tang nâng hạ cần
Ta có:
+ Độ dài cáp cuốn trên tang là: chọn L = 120 m
+ Vận tốc nâng hạ cần: v= 70 m/phút
⇒ Số vòng quay của tang tời
n tang =

L
120
=
= 91vòng
2.π .R tang 2.π .0,21

Vậy số vòng quay của trục động cơ thủy lực dẫn động tang nâng hạ cần

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 13


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
n=

n tang
91
.i =
.15 = 796,25vòng/phút
L
120
v
70

3.1.3. Lưu lượng của động cơ thủy lực
- Lưu lượng lý thuyết trung bình
2

π.d
Q lt = q.n =
.S.Z.n

4

[168-2]

Trong đó:
+ d: đường kính lỗ xilanh. d = (0,01 ± 0,05)m. Chọn d = 0,02m.
+ S = D.sinγ = Dr.tgγ
• Dr: Đường kính vòng tròn (trên mặt vuông góc với trục bơm) trên đó phân
bố các tâm lỗ xilanh. Chọn Dr = 0,07m
• γ: Góc nghiêng. Đối với động cơ lấy γ=300
⇒ S = 0,07.tg300 = 0,04 m
+ Z: Số lỗ xilanh. Chọn Z = 9
+ n: số vòng quay của roto động cơ. n = 796,25 vòng/phút
Vậy lưu lượng lý thuyết của động cơ thủy lực
Q lt =

π.0,02 2
.0,04.9.79 6,25 = 0,09005 m 3 /phút = 90,05 l/phút
4

- Kết luận: Vậy ta chọn động cơ piston roto hướng trục có
+ Momen động cơ Mđc ≥ 271,56 N.m
+ Số vòng quay của động cơ n ≥ 796,25 vòng/phút
+ Lưu lượng của động cơ Qlt ≥ 90,05 l/phút

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 14


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
3.1.4. Phương trình cân bằng lực của cụm xilanh nâng hạ cần

Xem lực tác dụng lên 2 xilanh nâng hạ cần là bằng nhau , ta có :
F
12393,2
F =F =F = 2 =
= 6196,6N
t
a
b
2
2

Ta xét một cụm xilanh ( như hình vẽ ) :

A
p

Fmsp

1

D

1

A

2

p

2

Ft
d

Q

Q

1

Fmsc

Fqt

2

Ta viết phương trình cân bằng xét cho cụm piston ở hành trình công tác hạ cần
P1.A1 – p2.A2 – Fmsp – Fmsc – Ft –Fqt = 0
Trong đó:
- p1: áp suất dầu ở buồng công tác 1
- p2: áp suất dầu ở buồng công tác 2
- A2 : tiết diện piston buồng công tác 2
2

2

π.(D − d )
A2 =
4

m2
- A1 : tiết diện piston buồng công tác 1
π.D
A1 =
4

2

m2
- Ft : tải trọng công tác, Ft=6196,6 N
- Fmsp : lực ma sát của piston và xilanh
Fmsp = N.
Trong đó:
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 15


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
- Hệ số ma sát ướt. Phụ thuộc cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang, ngoài ra
còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu. = ( 0,09 0,15 ) , chọn = 0,1
N - Lực của các vòng găng tác dụng lên xilanh và được tính:
N = .D.b.(p2 + pk) + .D.b.(z - 1).pk
b – Bề rộng vòng găng, chọn b = 20 mm
p2 - Áp suất buồng mang cần piston, chọn p2 = 0,4 MPa
z - Số vòng găng, chọn z = 3
pk - Áp suất giữa vòng găng và xilanh, pk ( 0,7 1,4 ) kG/cm2
Ban đầu chọn pk = 1 kG/cm2 = 9,81.104 N/m2
Lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít:
Fmsc = 0,15.f..d.c.p
Trong đó:

0,15: Hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn
f - Hệ số ma sát ướt giữa cần và vòng chắn, phụ thuộc cặp vật liệu cần piston là thép
và vòng chắn bằng gang, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu chọn f = 0,1
d - Đường kính cần piston, chọn d=0.7D
c - Chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn c = d
p - Áp suất tác dụng vào vòng chắn, p = p2 = 0,4 MPa
Lực quán tính:
Fqt = m.a
m - Khối lượng cụm chuyển động liên quan đến piston
a - Gia tốc chuyển động của cụm piston chuyển động tịnh tiến
Vì vận tốc khi nâng hạ cần là ổn định ( có thể thay đổi nhưng rất nhỏ ), vậy nên
gia tốc a sẽ có giá trị vô cùng nhỏ. Do đó Fqt sẽ có giá trị rất nhỏ, để đơn giản trong
quá trình tính toán ta bỏ qua Fqt. Điều kiện để hạ được cần trục :
p1.A1 p2.A2 +Fmsp + Fmsc + Fqt + Ft = 0
π .D 2
4

π .( D 2 − d 2 )
4

p1.
p2.
2
0,15.f..d .p2 + Ft = 0

π .D 2
4

+ 0,1.[.D.b.(p2 + pk) + .D.b.(z - 1).pk]
π .( D 2 − (0,7 D) 2 )

4

16.9,81.105 .
0,4.9,81.105.
+ 0,1[π.D.0,02.(0,4.9,81.105+
9,81.104 ) π.D.0,02.(3-1)..9,81.104 ] + 0,15.0,1.π. (0,7D)2.0,4.9,81.105+6196,6=0

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 16


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Do áp suất làm việc lớn 16 MPa, để đảm bảo điều kiện làm việc của cần, với áp suất
và tải trọng lớn chọn: d = 0,7D
12170432,53.D2 – 4314.66.D – 6196,60
D 0,023 m= 23 mm
Để cần có thể làm việc được thì D ≥ 23 mm .
Tra bảng đường kính xilanh chọn theo tiêu chuẩn ISO 6022 kiểu CDH :
- Đường kính trong của xilanh: D = 40 mm
- Đường kính của cần piston: d = 30 mm
Ta viết phương trình cân bằng xét cho cụm piston ở hành trình công tác nâng cần :
P1.A1 – p2.A2 – Fmsp – Fmsc – Ft –Fqt = 0
Trong đó:
- p1: áp suất dầu ở buồng công tác 1
- p2: áp suất dầu ở buồng công tác 2, p2 = 16 MPa
- A2 : tiết diện piston buồng công tác 2
2

2

π.(D − d )

A2 =
4

m2
- A1 : tiết diện piston buồng công tác 1
π.D
A1 =
4

2

m2
- Ft : tải trọng công tác, Ft=6196,6 N
- Fmsp : lực ma sát của piston và xilanh
Fmsp = N.
Trong đó:
- Hệ số ma sát ướt. Phụ thuộc cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang, ngoài ra
còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu. = ( 0,09 0,15 ) , chọn = 0,1
N - Lực của các vòng găng tác dụng lên xilanh và được tính:
N = .D.b.(p2 + pk) + .D.b.(z - 1).pk
b – Bề rộng vòng găng, chọn b = 20 mm
p2 - Áp suất buồng mang cần, p2 = 16MPa
z - Số vòng găng, chọn z = 3
pk - Áp suất giữa vòng găng và xilanh, pk ( 0,7 1,4 ) kG/cm2
Ban đầu chọn pk = 1 kG/cm2 = 9,81.104 N/m2
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 17


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Lực ma sát giữa cần piston và vòng chắn khít:

Fmsc = 0,15.f..d.c.p
Trong đó:
0,15: Hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn
f - Hệ số ma sát ướt giữa cần và vòng chắn, phụ thuộc cặp vật liệu cần piston là thép
và vòng chắn bằng gang, ngoài ra còn phụ thuộc vào độ nhớt của dầu chọn f = 0,1
d - Đường kính cần piston, chọn d=0.7D
c - Chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn c = d
p - Áp suất tác dụng vào vòng chắn, p = p2 = 16 MPa
Lực quán tính:
Fqt = m.a
m - Khối lượng cụm chuyển động liên quan đến piston
a - Gia tốc chuyển động của cụm piston chuyển động tịnh tiến
Vì vận tốc khi nâng hạ cần là ổn định ( có thể thay đổi nhưng rất nhỏ ), vậy nên
qt sẽ có giá trị rất nhỏ, để đơn giản trong quá
gia tốc a sẽ có giá trị vô cùng nhỏ. Do đó F
trình tính toán ta bỏ qua Fqt.
Điều kiện để nâng được cần trục :
p1.A1 p2.A2 +Fmsp + Fmsc + Fqt + Ft = 0

p2.

π .( D − d ) 2
4

p1.

π .D 2
4

+ 0,1.[.D.b.(p2 + pk) + .D.b.(z - 1).pk] 0,15.f..d2.p2 + Ft = 0

π .( D − 0.7 D) 2
4

π .D 2
4

16.9,81.105 .
0,2.9,81.105.
+ 0,1[π.D.0,02.(16.9,81.105+
9,81.104 ) π.D.0,02.(3-1).9,81.104 ] + 0,15.0,1.π. (0,7D)2.16.9,81.105+6196,6=0
Do áp suất làm việc lớn 16 MPa, để đảm bảo điều kiện làm việc của cần, với áp suất
và tải trọng lớn chọn: d = 0,7D
5770554,04.D2 – 100470,018.D – 6196,60
D 0,043 m= 43 mm
Để cần có thể làm việc được thì D ≥ 43 mm .
Tra bảng đường kính xilanh chọn theo tiêu chuẩn ISO 6022 kiểu CDH :
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 18


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
- Đường kính trong của xilanh: D = 50 mm
- Đường kính của cần piston: d = 30 mm

Để cần vừa có thể nâng và hạ được cần trục ta chọn xilanh có thông số sau:
- Đường kính trong của xilanh: D = 50 mm
- Đường kính của cần piston: d = 30 mm
Vậy tiết diện các bề mặt làm việc của piston là
π.D 2 π.0,05 2
A1 =

=
= 1,9635.10 −3 m 2
4
4

A2 =

π.(D 2 − d 2 ) π.(0,05 2 − 0,03 2 )
=
= 1,2566.10 −3 m 2
4
4

3.1.5. Lưu lượng cung cấp cho 2 xi lanh nâng h ạ c ần
a. Xét ở hành trình hạ cần
Q = vct.A
Q1, Q2 : lưu lượng cung cấp cho 2 xilanh ở hành trình công tác
Vct : vận tốc chuyển động trong hành trình công tác.
Lấy giá trị Vct = Vmax = 0,5 m/s
Q1 = Vct . A1 = 2.0,5.1,9635.10 −3 = 1,9635.10 −3

m3/s =117,81 l/phút

b. Xét ở hành trình nâng cần
Q2 = Vct . A2 = 2.0,5.1,2566.10−3 = 1,2566.10−3

=75,396 l/phút

3.1.6. Tính toán đường ống thủy lực
Trong hệ thống thủy lực, chất lỏng công tác được vận chuyển từ bể dầu qua bơm nguồn

đến các van, cơ cấu chấp hành rồi hồi về bể nhờ hệ thống các đường ống. Đường ống được
dùng phổ biến trong các hệ thống thủy lực nói chung hiện này là các loại ống cứng (ống
thép đúc) và ống mềm (ống cao su có các lớp thép) chịu áp.
Để hệ thống làm việc ổn định và hiệu suất cao thì tổn thất năng lượng trong hệ đường
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 19


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
ống phải là nhỏ. Do vậy, phải giảm thiểu được độ dài của hệ thống đường ống, đồng thời
giảm thiểu các khúc quanh để giảm được năng lượng tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ.
Nói chung, hệ thống đường ống trong các hệ thống thủy lực nói chung được chia làm 3
phần : đường ống hút, đường ống đẩy và đường hồi. Đường hút là đoạn đường ống từ bể
dầu lên bơm, thường khá ngắn. Đường ống nối từ bơm tới các van, cơ cấu chấp hành gọi là
đường đẩy, còn đường về bể dầu được gọi là đường hồi hay đường xả.
Để tính tiết diện của đường ống phải căn cứ vào vận tốc của đường dầu. Thông thường,
khi chọn đường ống ta phải đảm bảo tổn thất trong đường ống là nhỏ nhất và vừa phải kinh
tế. Nếu nhỏ quá thì tổn thất lớn và nếu lớn quá thì tổn thất ít đi nhưng không kinh tế, do đó
ta phải cân nhắc lựa chọn cho phù hợp. Thông thường, trong các hệ thống thủy lực nói
chung thì vận tốc đường dầu trên các đoạn đường đường ống trong hệ thống được chọn
như sau :
- Đường ống hút : v1 = 0,5 ÷ 1,5 m/s
- Đường ống đẩy : v2 = 6 ÷ 7 m/s
- Đường ống hồi : v3 = 0,5 ÷ 1,5 m/s
Đường kính của đường ống được tính theo công thức sau:
d=

4⋅Q
π⋅v

m

Trong đó:
- Q: là lưu lượng qua tiết diện ống, cũng chính là lưu lượng cần thiết cấp cho động
cơ thủy lực và xilanh lực, m3/s ;
- v: là vận tốc dầu qua tiết diện ống, m/s.a. Tính toán đường ống hút

a. Đường kính đường ống hút là:
Qh = Qđc + Q1 = 90,05 + 117,81 = 207,86 (l/phút)
d =
1

4⋅Q

h

π⋅v
1

=

4 ⋅ 207,86
= 0,054 ÷ 0,094m
π.(0,5 ÷ 1,5).1000. 60

SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 20


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
Do đường ống hút cấp dầu từ bể tới bơm và nằm trong thùng dầu, không phải chịu
áp cao, ta chọn ống hút có thể là ống bằng nhôm hoặc bằng thép đúc có đường kính 60 mm

với v= 1 m/s.
b. Tính toán đường ống hồi
Đường kính đường ống hồi là:
d =
3

4⋅Q

4 ⋅ 165,446
hoi =
= 0,048 ÷ 0,084m
π⋅v
π.(0,5 ÷ 1,5).1000. 60
3

Qhoi = Qđc + Q2 = 90,05 + 75,396 = 165,446 l/phút
Đường ống hồi được bắt đầu từ đế van về bể. Ta cũng chọn ống hồi làm bằng nhôm
hoặc bằng thép đúc có đường kính 50 mm với v3=1 m/s.
c. Tính toán đường ống đẩy
Đường ống đẩy thường được chia làm 2 phần: phần một nằm từ bơm nguồn tới van
và phần này nằm toàn bộ trên bể dầu, do vậy để làm cho bộ nguồn thêm mỹ quan ta làm
ống đẩy ở phần này bằng ống cứng (thường là thép đúc). Phần ống đẩy còn lại nối từ van
đến cơ cấu chấp hành ta chọn ống mềm.
Đường kính đường ống đẩy là:
d

2

=

4⋅Q

đ =
π⋅v
2

4 ⋅ 207,86
= 0,025 ÷ 0,027m
π.(6 ÷ 7).1000.60

Qđ = Qđc + Q1 = 90,05 + 117,81 = 207,86 l/phút
Vậy ta chọn ống mềm và ống cứng có đường kính 25 mm với v2 = 6 m/s và chịu được áp
suất khoảng 16MPa để làm ống đẩy cho hệ thống.
3.1.7. Tính chọn bơm nguồn.
- Chọn chiều dài đường ống :
+ Chiều dài đoạn đường ống hút bằng chiều dài đoạn đường ống xả là :
l1 = l3 = 3,5 m
+ Chiều dài đoạn ống đẩy là : l2 = 4 m
- Vận tốc và đường kính ống hút : v1 = 1 m/s; d1 = 60 mm
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 21


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
- Vận tốc đường ống đẩy : v2 = 6 m/s; d2 = 25 mm
- Vận tốc đường ống hồi : v3 = 1 m/s; d3 = 50 mm
- Chọn loại dầu thủy lực dùng trong hệ thống :
PETO CIRCULATING OIL CS 68
+ Khối lượng riêng (15oC): ρ = 870 Kg/m3
+ Độ nhớt động học ở 40oC: υ = 68.10-6 m2/s
+ Chỉ số độ nhớt: 97

+ Độ chớp cháy cốc hở COC: 240 oC
+ Nhiệt độ đông đặc: -12 oC

- Chọn bơm làm việc là bơm piston roto hướng trục.
∗ Tính áp suất của bơm pb
pb = plv + ∆p
Với : ∆p là tổn thất áp suất khi đi qua cơ cấu chấp hành và qua chiều dài đường ống .
Ta có :
∆p = p1 + p2

Với:
+ p1 là tổn thất qua van phân phối, lấy p1 = 0,2 MPa
+ P2 là tổn thất qua đường ống bao gồm cả tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ.
p 2 = ρ.g.h d1 + ρ.g.h d2 + ρ.g.h d3 + γ.h c1 + γ.h c2 + γ.h c3
2

2

2

2

2

2

λ1.l 1.v 1
λ 2 .l 2 .v 2
λ 3 .l 3 .v 3
ζ.v 1

ζ.v 2
ζ.v 3
= ρ.g.
+ ρ.g.
+ ρ.g.
+ γ.
+ γ.
+ γ.
2.d 1.g
2.d 2 .g
2.d 3 .g
2g
2g
2g
2

2

2

2
2
2
λ1.l 1.v 1
λ 2 .l 2 .v 2
λ 3 .l 3 .v 3
ζ
= ρ.
+ ρ.
+ ρ.

+ γ.  v1 + v 2 + v 3 

2.d 1
2.d 2
2.d 3
2g 

Trong đó:
2

+ hd: tổn thất dọc đường.

λ.l.v
hd =
2.d.g

[123-1]

2

hc =

ζ.v
2g

+ hc: tổn thất cục bộ.
[124-1]
+ l; v; d: chiều dài, vận tốc, đường kính của đường ống.
+ ζ: Hệ số tổn thất cục bộ. Lấy ζ = 1,1 với loại ống uống cong đột ngột 90o
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 22

Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
+ γ: Trọng lượng riêng của dầu. γ = g.ρ = 9,81.870 = 8534,7 N/m3
+ λ: Hệ số ma sát của tổn thất dọc đường. λ = ƒ(Re,n)
v .d
1.0,06
Re = 1 1 =
= 882 < 2320
1
υ
68.10 − 6

⇒ Chảy tầng

v .d
6.0,025
Re = 2 2 =
= 2205,8 < 2320
2
−
6
υ
68.10
v .d
1.0,05
Re3 = 3 3 =
= 735,29 < 2320
−6
υ

68.10

[121-1]

⇒ Chảy tầng

⇒ Chảy tầng

64
64
λ =
=
= 0,072
1 Re
882
1

64
64
λ =
=
= 0,029
2 Re
2205,8
2
64
64
λ =
=
= 0,087

3 Re
735,29
3

Vậy tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ p2 là:
λ .l .v 2
λ .l .v 2
λ .l .v 2
ζ
1
1
1
2
2
2
p = ρ.
+ ρ.
+ ρ. 3 3 3 + γ.  v 2 + v 2 + v 2 
2
2
3
2.d
2.d
2.d
2g  1
1
2
3
 0,072.3,5.12 0,029.4.6 2 0,087.3,5.12 


= 870.
+
+


2.0,05
2.0,02
2.0,05


8534,7.1,1 2
2
2
+
1 + 6 + 1 

2.9,81 
= 113852,55 N m 2 = 0,116MPa

⇒ ∆p = p1 + p2 = 0,2 + 0,116 = 0,316MPa.
Vậy áp suất của bơm:
pb = plv + ∆p = 16 + 0,316 = 16,316 MPa
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 23

[134-1]


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
∗ Lưu lượng của bơm Qb
Lưu lượng của bơm :

Q
Q = lv
b η
Q

Trong đó :
+ ηQ: là hiệu suất lưu lượng của bơm, đối với bơm piston roto hướng trục ηQ = 0,97
÷ 0,98. Chọn : ηQ = 0,97
+ Qlv : lưu lượng làm việc của bơm. Qlv = Qđ = 207,86 l/phút
Do đó :
Q

b

=

Q

lv = 207,86
η
0,97
Q

= 214,3 l/phút
- Kết luận: Vậy ta chọn bơm piston roto hướng trục có
+ Lưu lượng của bơm Qb ≥ 214,3 l/phút
+ Áp suất của bơm pb ≥ 16,316 MPa.
Đây là thông số của bơm 2a, được kí hiệu trong sơ đồ thủy lực. Ta sẽ chọn bơm 2b có
thông số như bơm 2a để tính cho các hệ thống nâng hạ hàng, di chuyển bánh xích và quay
toa.

3.2. Tính toán cho hệ thống thủy lực nâng hạ hàng

3.2.1. Tính lực và momen tác dụng lên động cơ thủy lực
- Áp lực tác dụng lên piston:

π⋅d
P = p.
4

2

- Lực P thông qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực:
+ N = P.cosγ: thẳng góc với mặt phẳng đĩa bán kính R
+ Q = P.sinγ: nằm trong mặt phẳng đĩa, song song trục x.
- Lực Q gồm 2 thành phần:
+ Lực tiếp tuyến T = Q.sinϕ tạo momen quay
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 24


Sd Đồ án Truyền động thủy khí động lực
+ Lực hướng tâm Qn = Q.cosϕ
T
x

Q
Qn

ϕ

o

R

x

x

Q
P
N

x

y

- Momen do lực T tạo ra trên trục (tính cho 1 piston)
M = T.R = Q.sinϕ.R = R.P.sinγ.sinϕ
⇒

M = Rr.P.tgγ.sinϕ

- Tổng momen gây ra trên trục máy là tổng của momen do các piston đang chịu áp
lực gây ra
m

M Σ = P.R r .tg γ .∑ sin(ϕ + ia)
i =0

[170-2]

- Vì động cơ thủy lực piston roto hướng trục dẫn động tang tời để nâng hạ hàng nên
momen gây ra trên tang cũng chính bằng momen gây ra trên trục máy.
m

M Σ = P.R r .tg γ .∑ sin(ϕ + ia) =
i =0

Fcangday .R tang
i

- Fcangday: Lực căng dây lớn nhất tác dụng vào tang khi nâng hạ hàng.
Fcangday =

G.9,81.(1 − η)
a

(1 − η ).η

m

Trong đó:
+ G: tải trọng hàng cần nâng. G = 15 tấn
SVTH: Cao Văn Trung-Lớp 14C4THACO Trang 25