Đồ án thiết kế hệ thống thủy lực cho xe thu gom rác tự động

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH

1. Thơng tin sinh viên.
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Chí Cơng
Lê Anh Tuấn
Lớp: Máy Và Tự Động Thủy Khí
Hệ đào tạo: Đại Học
Đồ án mơn học được thực hiện tại: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Thời gian làm đồ án mơn học: 1 học kì
Ngày giao nhiệm vụ:
Ngày hồn thành nhiệm vụ:
2. Mục đích nội dung của đồ án môn học
Thiết kế tay cần gắp rác và tìm hiểu hệ thống thủy lực trên xe chở rác
3. Các nhiệm vụ cụ thể của đồ án môn học
Thiết kế sơ bộ kết cấu cơ khí tay cần gắp rác.
Thiết kế mạch thủy lực.
Thiết kế mạch điều khiển.
Tính tốn các thơng số chính của Xylanh thủy lực, bơm nguồn, thùng dầu
Tính chọn các phần tử thủy lực trong mạch thủy lực.
Thiết kế xy lanh thủy lực, đế van.
4. Lời cam đoan của sinh viên.
Tôi – Lê Anh Tuấn – Nguyễn Chí Cơng - cam kết đồ án mơn học là cơng trình nghiên
cứu của bản thân chúng tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Xuân Bộ
Các kết quả nêu trong đồ án môn học là trung thực, khơng phải là sao chép tồn văn
của bất kỳ cơng trình nào khác.
5. Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của đồ án và cho phép bảo
vệ.

Hà Nội, ngày 15 tháng 6 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn
TS. Trần Xuân Bộ

1


MỤC LỤC
Lời mở đầu:
Trang
Chương 1 – Giới thiệu về xe thu gom rác……………………………………………6
1.1. Giới thiệu về các loại xe thu gom rác…………………………………………...6
1.1.1. Xe thu gom rác thông thường……………………………………………6
1.1.2. Xe thu gom rác tự động…………………………………………….........6
Chương 2 – Kết cấu cơ khí tay gắp rác………………………………………………8
2.1. Giới thiệu chung kết cấu cơ khí tay gắp………………………………………...8
2.2. Kết cấu các bộ phận tay gắp rác………………………………………………...9
2.2.1. Cơ cấu kẹp………………………………………………………………….9
2.2.2. Cơ cấu xoay đổ rác………………………………………………………..10
2.2.3 Cơ cấu nâng hạ tay cần…………………………………………………….10
Chương 3 – Sơ đồ hệ thống thủy lực………………………………………………..11
3.1. Nguyên lí hoạt động của mạch thủy lực………………………………………..11
3.1.1. Các phần tử chính trong mạch thủy lực………………………………...11
3.1.2. Nguyên lí hoạt động của mạch thủy lực.………………………………..12
3.2. Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển……………………………………..13
3.2.1. Chu trình hoạt động của tay cần………………………………………...13
3.2.2. Các phần tử trong mạch điều khiển……………………………………..13
3.2.3. Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển……………………………...14
Chương 4 – Tính tốn thiết kế hệ thống thủy lực………………………………….15
4.1. Tính tốn thiết kế xylanh…………………………………………………….…15
4.1.1. Tính lực và hành trình…………………………………………………..15
4.1.2. Tính tốn thiết kế các xylanh…………………………………………...23
4.2. Tính chọn đường ống………………………………………………………..…30
4.3. Tính tốn và chọn bơm nguồn……………………………………………….…31

4.3.1. Tính áp suất và lưu lượng của bơm…………………………………..…31
4.3.2. Chọn bơm……………………………………………………………….32
4.4. Tính chọn van…………………………………………………………………..33
4.4.1. Chọn van an tồn………………………………………………………..33
4.4.2. Chọn van phân phối…………………………………………………….34
4.4.3. Chọn van giảm tải………………………………………………………36
4.4.4. Chọn van một chiều…………………………………………………….36
4.4.5. Chọn van chống rơi……………………………………………………..37
4.4.6. Chọn van điều chỉnh lưu lượng…………………………………………38
4.4.7. Chọn bộ chia lưu lượng…………………………………………………40
4.5. Tính chọn bộ lọc……………………………………………………………..…40
4.6. Tính tốn thiết kế trạm nguồn………………………………………………….42
4.7. Thiết kế panel…………………………………………………………………..43
KẾT LUẬN……………………………………………………………………...……46
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………...47

2


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Xe chở rác Dongfeng………………………………………………………...6
Hình 1.2: Xe thu gom rác tự động Hercules……………………………………………7
Hình 1.3: Xe thu gom rác tự động với tay gắp phía trước……………………………...7
Hình 2.1: Kết cấu cơ khí tay gắp rác thủy lực………………………………………….8
Hình 2.2: Kết cấu cơ khí tay gắp rác thủy lực………………………………………….9
Hình 2.3: Cơ cấu kẹp thùng rác…………………………………………………………9
Hình 2.4: Cơ cấu xoay đổ rác………………………………………………………….10
Hình 2.5: Cơ cấu nâng hạ tay cần……………………………………………………..10
Hình 4.1: Sơ đồ phân tích lực xylanh kẹp……………………………………………..15
Hình 4.2: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh kẹp……………………………………...15

Hình 4.3: Sơ đồ biểu diễn lực tác động lên xylanh lật………………………………...16
Hình 4.4: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh lật………………………………………17
Hình 4.5: Sơ đồ phân tích lực xylanh nâng hạ………………………………………...17
Hình 4.6: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh nâng hạ…………………………………18
Hình 4.7: Sơ đồ phân tích lực tác động lên xylanh ra vào…………………………….19
Hình 4.8: Sơ đồ phân tích lực tác động lên xylanh mở lắp thùng……………………..20
Hình 4.9: Sơ đồ phân tích lực tác động lên xylanh tầng………………………………21
Hình 4.10: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh tầng…………………………………...22
Hình 4.11: Van an tồn………………………………………………………………..34
Hình 4.12: Van phân phối 4 cửa 3 vị trí……………………………………………….35
Hình 4.13: Van phân phối 4 cửa 2 vị trí……………………………………………….35
Hình 4.14: Van giảm tải ………………………………………………………………36
Hình 4.15: Van một chiều……………………………………………………………..37
Hình 4.16: Van một chiều có điều khiển………………………………………………37
Hình 4.17: Van tiết lưu một chiều……………………………………………………..39
Hình 4.18: Van một chiều……………………………………………………………..39
Hình 4.19: Bộ chia lưu lượng………………………………………………………….40
Hình 4.20: Bộ lọc dầu…………………………………………………………………41
Hình 4.21: Kết cấu thùng dầu…………………………………………………………42
Hình 4.22: Sơ đồ Panel 1……………………………………………………………...44
Hình 4.23: Sơ đồ Panel 2……………………………………………………………...44
Hình 4.24: Sơ đồ Panel 3……………………………………………………………...45
3


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Bảng tra hệ số D theo góc nghiêng của thùng……………………………22
Bảng 4.2: Bảng tra đường kính cần xylanh tầng…………………………………….28
Bảng 4.3: Bảng tra lưu lượng thay đổi trên một đơn vị hành trình xylanh tầng…….29

4


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay ở nước ta, việc thu gom rác thải sinh hoạt cũng như rác thải công nghiệp
gặp rất nhiều khó khăn. Cơng việc này, chủ yếu được thực hiện bằng hình thức thủ cơng.
Cơng nhân điều khiển các loại xe thu gom và nén rác thải chủ yếu bằng tay. Cơng suất
việc thu gom này cịn thấp và chi phí nhân cơng cịn cao. Trong khi đó, tại các nước phát
triển, các mơ hình thu gom rác và xử lý rác thải một cách tự động đã và đang được áp
dụng rộng rãi. Đem lại lợi ích kinh tế cao và giảm thiểu sự tác động của con người. Một
trong số các loại xe thu gom rác thải tự động được sử dụng rất phổ biến là: HERCULES
của E- Z PACK. Đây là một mơ hình xe thu gom rác thải với nhiều tính năng. Đặc biệt
là khả năng tự động thu gom các thùng rác trên các con phố nhờ cơ cấu tay cần gắp rác.
Toàn bộ hệ động lực của tay cần được dẫn động bằng hệ thống thủy lực. Mơ hình xe này
có khả năng cơ động cao và công suất lớn. Với mô hình này nguồn lực nhân cơng thu
gom rác sẽ đươc giảm xuống nhờ khả năng tự động của chúng. Một mơ hình nước ta
đang rất cần có để thu gom khối lượng rác thải lớn mỗi ngày sinh ra.
Việc thiết kế hệ thống thủy lực trên chiếc xe này bao gồm các bước sau. Thứ nhất là:
Thiết kế kết cấu cơ khí sơ bộ cho tay cần gắp thùng rác. Thứ hai là: Thiết kế mạch thủy
lực trên xe và trên tay cần gắp trùng rác. Thứ ba là: Thiết kế chế tạo và lựa chọn các phần
tử trong hệ thống thủy lực lắp trên xe. Thứ tư là: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ
thống thủy lực và mơ phỏng hoạt động của tồn bộ hệ thống. Sau khi tính tốn, thiết kế
và lựa chọn cho tồn bộ hệ thống ta thu được một hệ thống sơ bộ cho tay cần gắp thùng
rác và hệ thống thủy lực trên xe thu gom và nén rác thải. Để đưa mơ hình này vào thiết
kế và chế tạo thực tế thì mơ hình này cần phải trải qua các kiểm nghiệm và cải tiến.

5


CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ XE THU GOM RÁC
1.1.

Giới thiệu về các loại xe thu gom rác

Xe thu gom rác thải là một loại xe khá phổ biến, đang được các thành phố lớn và
khu công nghiệp sử dụng rộng rãi. Các loại xe có tính cơ động và tải trọng tương đối lớn,
có thể thu gom được nhiều rác nhờ có cơ cấu nén, ép rác dưới áp lực lớn của thủy lực.
Có các loại xe thu gom rác điều khiển bằng tay và loại điều khiển tự động. Hiện nay có
rất nhiều hãng phát triển cơng nghệ cho ra đời các loại xe thu gom rác thông minh và
tiện lợi. Sau đây là một số loại xe thu gom rác thải đang được sử dụng hiện nay.
1.1.1. Xe thu gom rác thông thường
Các loại xe thu gom rác này được sử dụng rộng rãi và phổ biến ở nước ta hiện nay
do giá thành rẻ nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu về thu gom rác ở các đo thị của nước
ta. Thùng chứa của loại xe này có thể tích từ 14m3 tới 22m3 tùy thuộc vào yêu cầu mà
lựa chọn kích thước xe một cách hợp lí. Hình 1.1 là hình ảnh của loại xe chở rác này.

Hình 1.1: Xe chở rác Dongfeng
1.1.2. Xe thu gom rác tự động
Những loại xe thu gom rác tự động hiện nay ở nước ta vì nhiều lí do mà chưa được
đưa vào sử dụng, nhưng trong tương lai nó sẽ dần thay thế những loại sẽ thu gom rác
6


thông thường đang được sử dụng hiện nay do những ưu điểm vượt trội mà nó mang lại
sẽ giúp giảm thiểu sức lao động chân tay của con người.
Những chiếc xe thu gom rác tự động được thiết kế và ứng dụng hệ thống thủy lực
sâu vào các cơ cấu thu rác và nén rác. Việc sử dụng chúng để thu gom rác mang lại năng
suất cao giảm đi sự vất vả của người cơng nhân. Ở Hình 1.2, 1.3 là hai mơ hình xe thu
gom rác tự động do hãng E-Z PACK sản xuất.

Hình 1.2: Xe thu gom rác tự động Hercules

Hình 1.3: Xe thu gom rác tự động với tay gắp phía trước
7


CHƯƠNG 2
KẾT CẤU CƠ KHÍ TAY GẮP RÁC
2.1.

Giới thiệu kết cấu cơ khí tay gắp rác

Kết cấu cơ khí của tay gắp rác trên xe được thể hiện trong Hình 2.1, 2.2. Cánh tay
gắp thùng rác hoạt động dựa trên nguyên lý của một cánh tay robot với 4 bậc tự do. Cánh
tay hoạt động được nhờ các xylanh thủy lực được điều khiển hoạt động thông qua các
van phân phối các van này được điều khiển bởi một PLC (Programable logic controller:
bộ điều khiển logic lập trình được). Các xylanh thủy lực của cánh tay hoạt động nhờ một
bơm nguồn thủy lực được đẫn động bởi động cơ diesel của xe thơng qua các bộ truyền
đai.

Hình 2.1: Kết cấu cơ khí tay gắp rác thủy lực
8


Hình 2.2: Kết cấu cơ khí tay gắp rác thủy lực
Các bộ phận chính bao gồm: 1- Cụm van phân phối, 2- Xylanh nâng hạ, 3- Xylanh
ra vào, 4- Xylanh lật, 5- Thân tay cần, 6- Ray trượt, 7- Xylanh kẹp, 8- Mỏ kẹp, 9- Thanh
trượt, 10-Thân tay kẹp.
2.2.

Kết cấu các bộ phận tay gắp rác

2.2.1. Cơ cấu kẹp
Cơ cấu kẹp thùng rác được thể hiện trong Hình 2.3. Gồm các bộ phận chính sau:
1- Xylanh kẹp, 2- Tay địn, 3- Bánh răng ăn khớp, 4- Thanh đỡ, 5- Càng kẹp.

Hình 2.3: Cơ cấu kẹp thùng rác
9


2.2.2. Cơ cấu xoay đổ rác
Cơ cấu xoay đổ rác (Hình 2.4) là cơ cấu tạo chuyển động quay cho, giúp cho cơ
cấu kẹp và thùng rác quay một góc nhất định để đổ rác từ thùng rác vào thùng chứa của
xe tải. Bộ phận chính của cơ cấu gồm: 1- Xylanh, 2- Trục quay (giúp liên kết giữa các
phần của cơ cấu và đảm bảo chuyển động quay giữa các khâu liên kết).

Hình 2.4: Cơ cấu xoay đổ rác.
2.2.3. Cơ cấu nâng hạ tay cần
Cơ cấu nâng hạ (Hình 2.5) là cơ giúp nâng toàn bộ cánh tay lên cao đảm bảo thùng
rác ở đúng vị trí cần thiết cho phép rác được đổ vào thùng chứa. Các bộ phận chính của
cơ cấu bao gồm: 1-Xylanh nâng hạ, 2-Cánh tay địn, 3-Trục quay.

Hình 2.5: Cơ cấu nâng hạ tay cần.
10


CHƯƠNG 3
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY LỰC

3.1.

Nguyên lí hoạt động của mạch thủy lực

3.1.1. Các phần tử chính trong mạch thủy lực

STT

Chức năng
Tạo chuyển động ra
vào cho tay cần

Số lượng

1

Tác động kép

Tạo lực kẹp cho cơ
cấu kẹp
Tạo lực nâng cho
tay cần
Tạo chuyển động
xoay cho cơ cấu đổ
rác
Nén rác

Xy lanh mở nắp thùng

Tác động kép

Mở nắp

2

Xy lanh đổ rác

Tầng và tác
động đơn
Bơm bánh răng
ăn khớp ngồi
4/3 điều khiển
điện hồi vị bằng
lị xo
4/2 điều khiển
điện hồi vị bằng
lò xo
3/2 điều khiển
điện hồi vị bằng
lò xo

Nâng thùng đổ rác

1

Tên phần tử

Kiểu

1

Xy lanh ra vào

Tác động kép

2

Xy kẹp

Tác động kép

3

Xy lanh nâng

Tác động kép

4

Xy lanh xoay

Tác động kép

5

Xy lanh nén rác

6
7

8

Bơm nguồn

9

Van phân phối

10

Van phân phối

11

Van phân phối

12

Van tiết lưu

1 chiều

13

Van tiết lưu

2 chiều

14

Bộ chia lưu lượng

Dạng van kiểu
con trượt

Cung cấp nguồn cho
hệ thống
Điều khiển hướng
cho cơ cấu chấp
hành
Giảm tải cho bơm

1

1

1
2

1
6

1
Điều khiển xy lanh
tầng
Điều khiển vận tốc
các cơ cấu chấp
hành
Điều khiển vận tốc
xy lanh tầng

Đồng tốc 2 xy lanh

1

8
1
2

11


STT

Tên phần tử

Kiểu

Chức năng

15

Van an toàn

Tác động trực
tiếp

Bảo vệ hệ thống

1

16

Bộ lọc dầu

1

17

Thùng dầu

Lọc cặn bẩn cho
dầu
Đựng dầu

18

Van một chiều

19

Đồng hồ đo áp

20

Đường ống thủy lực

21

Bộ làm mát

Có điều khiển

ống thép

Chống rơi cho xy
lanh nâng và xy
lanh mở nắp thùng
Đo áp suất trong hệ
thống
Dẫn dầu trong hệ
thống
Làm mát dầu trước
khi về thùng

Số lượng

1
2

1

1

3.1.2. Ngyên lý hoạt động của mạch thủy lực
a) Chế độ chờ
Là chế độ khi bơm nguồn đã bật nhưng các cơ cấu trong hệ thống chưa hoạt động.
Van phân phối 4/2 ln ở vị trí thường mở do y4 chưa được cấp nguồn điện (vị trí số 1).
Dầu do bơm cấp lên qua van phân phối này qua bộ phận làm mát và qua bộ lọc đi về
thùng dầu.
b) Chế độ cánh tay hoạt động gắp thùng rác

Nhấn nút điều khiển gắp thùng rác trên bảng điều khiển khi đã định vị được vị trí
của thùng rác. Lúc này van phân phối 4/2 chuyển sang trạng thái thứ 2 (vị trí số 2), chế
độ giảm tải cho bơm nguồn được đóng lại và lưu lượng được cấp cho các cơ cấu tay gắp.
Tay gắp thùng rác sẽ hoạt động tự động theo đúng chu trình tuần tự. Ban đầu xylanh
ra vào sẽ đưa toàn bộ cơ cấu tay gắp đi ra cho tới khi chạm tới giới hạn hành trình đã đặt
trước sau đó xylanh gắp thùng rác thực hiện gắp thùng rác, khi đã kẹp được thùng rác
thì xylanh ra vào sẽ thụt lại đưa tồn bộ cơ cấu tay gắp và thùng rác đã được kẹp về vị
trí ban đầu. Khi về tới cuối hành trình của xylanh ra vào thì xylanh nâng tồn bộ cánh
tay và thùng rác sẽ lập tức hoạt động nhờ các cảm biến được đặt trên đầu và cuối mỗi
hành trình của các xylanh. Khi xylanh nâng tay cần lên tới vị trí đặt cảm biến thì xylanh
xoay đổ rác bắt đầu đi ra, xylanh này tạo chuyển động quay cho cơ cấu kẹp thùng rác
làm cho rác trong thùng rác đổ vào trong thùng xe chở. Tại đây xylanh này sẽ được giữ
để đổ rác trong 3s đã thiết lập ở bộ điều khiển PLC. Sau 3s thì xylanh xoay đổ rác thực
12


hiện hành trình về tiếp đến là xylanh nâng hạ tồn bộ tay cần xuống. Khi tới vị trí ban
đầu thì xylanh ra vào thực hiện hành trình đi ra để trả thùng đựng rác về vị trí ban đầu
sau đó thụt lại kết thúc q trình kẹp và đổ một thùng rác.
Trong cơ cấu gắp thùng rác tự động sẽ được điều khiển bằng bộ điều khiển PLC
thông qua các tín hiệu điều khiển từ người điều khiển và các cảm biến vị trí lắp trên thân
mỗi xylanh.
c) Chế độ nén rác
Hệ thống nén rác bằng cơ cấu được dẫn động bằng 2 xylanh lắp song song chạy
đồng bộ với nhau. Hai xylanh nén rác này sẽ được điều khiển thơng qua bộ điều khiển
PLC. Tín hiệu điều khiển là nút bấm và cảm biến vị trị. Khi ngươi điều khiển nhấn nút
“nén rác” trên bảng điều khiển thì hai xylanh này sẽ được cấp nguồn và bắt đầu đi ra
thực hiện hành trình nén rác khi xylanh tới vị trí đặt cảm biến vị trí thì ngay lập tức hai
xylanh này thực hiện hành trình về kết thúc quá trình nén rác.
d) Chế độ đổ rác

Trước tiên ta cần có tín hiệu từ cảm biến áp suất P. Khi đạt tới áp suất đã cài đặt
thì ngay lập tức cảm biến áp suất sẽ gửi tín hiệu về bảng điều khiển thông báo cho người
điều khiển thực hiện quá trình đổ rác. Mở nắp thùng rác và đổ rác được thực hiện qua tín
hiệu điều khiển bằng tay thông qua nút bấm trên bảng điều khiển. Ban đầu ta nhấn nút
mở nắp thùng rác khi nắp thùng rác mở hết thì ta nhấn nút đổ rác lúc này thùng rác được
nâng lên để thực hiện đổ rác thông qua xy lanh đổ rác. Sau khi đổ xong ta nhả nút điều
khiển đổ rác thì xy lanh đổ rác tự động đi về do có tải trọng của thùng xe. Đồng thời ta
nhấn nút đóng nắp thùng rác kết thúc quá trình đổ rác. Khi các nút điều khiển này được
tác động thì ngay lập tức van giảm tải cho bơm nguồn cũng được đóng ngăn dầu về bể,
để cung cấp nguồn cho các cơ cấu chấp hành.

3.2.

Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển

3.2.1. Chu trình hoạt động của tay cần

13


3.2.2. Các phần tử trong mạch điều khiển
STT

Tên phần tử

Chức năng

Số lượng

1

Bộ nguồn điện 24VDC

Cung cấp nguồn chính

1

2

Cảm biến vị trí

Theo dõi hành trình của xy lanh

10

3

Bộ điều khiển lập trình PLC

Điều khiển hệ thống

1

4

Cơng tắc , nút bấm

Cung cấp tín hiệu điều khiển

16

5

Cảm biến áp suất

Cung cấp tín hiệu điều khiển

1

6

Bảng điều khiển

Lắp ráp các phần tử điều khiển

1

7

Dây điện

Đấu nối các phần tử

3.2.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
a) Chế độ gắp rác tự động của tay cần
Khi định vị được vị trí thùng chứa rác. Người điều khiển nhấn nút “gắp rác” trên
bảng điều khiển. Tín hiệu điều khiển được cấp cho PLC xử lý đưa ra các tín hiệu điều
khiển tới các cuộn dây (từ y1 tới y8 và y14) của van phân phối điều khiển trạng thái của
van điều khiển các xy lanh của tay cần, thơng qua các cảm biến vị trí (A0 tới A7) được
gắn trên thân các xylanh bộ điều khiển PLC sẽ xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển để

điều khiển tay gắp rác chạy đúng theo chu trình.
b) Chế độ nén rác
Tương tự như điều khiển tay gắp rác, ở chế độ nén rác thì người điểu khiển cũng
cấp tín hiệu điều khiển từ nút bấm để đưa ra tín hiệu vào PLC sau đó PLC xử lý và đưa
ra tín hiệu điều khiển tới các cuộn dây (y9, y10 và y14), thông qua các cảm biến vị trí
(A8 và A9).
c) Chế độ đổ rác, mở nắp thùng rác và hiệu chỉnh các xylanh của tay cần gắp rác
Ở chế độ này thì việc điều khiển khơng thơng qua bộ điều khiển PLC mà tín hiệu
điều khiển được cấp trực tiếp từ các nút bấm (từ 1 tới 10 và mở nắp thùng rác, đóng nắp
thùng rác, đổ rác) trên bảng điều khiển do người điều khiển cung cấp. Tín hiệu điều khiển
tới trực tiếp các cuộn hút của các van phân vối để điều khiển các cơ cấu chấp hành.
Cảm biến áp suất P1 sẽ thông báo cho người điều khiển đi đổ rác khi đạt tới áp suất
đã cài đặt ban đầu.

14


CHƯƠNG 4
TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC
4.1.

Tính tốn thiết kế xylanh

4.1.1. Tính lực và hành trình
a) Xylanh kẹp

Hình 4.1: Sơ đồ phân tích lực xylanh kẹp
Lực tác dụng lên xylanh kẹp mở (Hình 4.1) chủ yếu để gây ra mô men để đưa hai
mỏ kẹp di chuyển và giữ thùng lên lực kẹp không cần lớn.
Ta lấy giá trị F1  1000 N

Hình 4.2: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh kẹp
Tính hành trình của xylanh kẹp với các thơng số trên Hình 4.2
Độ dài cánh tay địn là l  135mm
15


Góc quay của cánh tay địn được tính bằng cách lấy góc quay lớn nhất trừ đi góc quay
nhỏ nhất bằng:   145o  76o  690
Hành trình của xylanh được tính dựa vào chiều dài cánh tay địn và góc quay của nó với
hành trình là: H  l  sin



2

 135  sin(

69
)  152.9mm ta lấy H  150mm
2

b) Xylanh lật

Hình 4.3: Sơ đồ biểu diễn lực tác động lên xylanh lật
Lực tác dụng lên xylanh lật (Hình 4.3) là F2 được tính dựa vào các thơng số chiều
dài cánh tay dịn điểm đặt lực và trọng lượng của thùng rác.
Với:

P1  m1  g  200  9,81  1962 N

Trong đó:
p1 Trọng lượng của thùng rác.
m1 Khối lượng của thùng rác.

g Gia tốc trọng trường, lấy g  9,81m / s 2
Từ đó ta tính được F2
l  P 0,4  1962
F2  1 1 
 4265 N
l2
0,184
Trong đó:
l1 Chiều dài cánh tay địn điểm đặt trọng lực P1
l2 Chiều dài cánh tay đòn điểm đặt lực F2

16


Hình 4.4: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh lật
Tính hành trình xylanh lật H 2 dựa vào các thơng số trên Hình 4.4.
Ta có:
Độ dài cánh tay địn là: l  184mm
Góc quay là:   65,680
Hành trình của xylanh là: H 2  l  sin


2

 184  sin(

65,68
)  2  199.56 lấy:
2

H 2  200mm
c) Xylanh nâng hạ

Hình 4.5: Sơ đồ phân tích lực xylanh nâng hạ
Lực tác dụng lên xylanh nâng hạ (Hình 4.5) là F3 .
17


Với:

P1  m1  g  200  9,81  1962 N
P2  m2  g  36  9,81  353N
P3  m3  g  40  9,81  392 N
P  l  P  l  P  l 1962  2,98  353  2  392  2,58
F3  1 1 2 2 3 3 
 0,707  29,312 KN
0,365
0,365

Trong đó:
m1 - Là khối lượng của thùng rác.
m2 - Là khối lượng của cánh tay.
m3 - Là khối lượng của cơ cấu gắp.
l1 , l2 , l3 - Lần lượt là chiều dài cánh tay địn của FT , FCT , FG
Tính hành trình cho xylanh nâng hạ H 3 dựa vào các thông số trên Hình 4.6, hành

trình của xylanh nâng hạ được tính bằng cách lấy chiều dài lớn nhất khi xylanh đi hết
hành trình trừ đi chiều dài xylanh khi ở vị trí có hành trình nhỏ nhất là 0.

Hình 4.6: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh nâng hạ

H3  L  652

L  5162  7803  2  516  780cos(990 )  1000mm
H3  1000  652  348mm
Với:

L Là chiều dài của xylanh khi đi hết hành trình.
18


l  652mm Là chiều dài khi xylanh có hành trình bằng 0 .
Chọn hành trình của xylanh nâng hạ là H3  350mm
d) Xylanh ra vào

Hình 4.7: Sơ đồ phân tích lực tác động lên xylanh ra vào
Xylanh đóng vai trị đẩy tồn bộ cánh tay di chuyển ra và di chuyển vào trong quá
trình gắp những thùng rác nằm ở xa so với vị trí ban đầu của tay kẹp.
Lực F4 do xy lanh tạo ra phải thắng được lực ma sát nghỉ gây ra bởi trọng lượng
của các phần trên cánh tay thể hiện trên Hình 4.7 bao gồm trọng lượng của cánh tay và
trọng lượng của thùng rác, từ từ khối lượng của các phần và hệ số mà sát ta tính được
lực của xylanh cần để di chuyển cánh tay.

P   mi  g  (m1  m2  m3  m4 )  (200  36  40  44)  9,81  3139 N
Trong đó:

m1, m2 , m3 , m4 Lần lượt là khối lượng của thùng rác và các phần của cánh tay.
Hệ số ma sát tính giữa các phần trượt tương đối với nhau trên cánh tay là t  0.7

F4  t  P  0.7  3139  2197,3N
Từ yêu cầu gắp thùng rác có khoảng cách từ 0 đến 1200mm so với vị trí ban đầu
của tay kẹp ta chọn hành trình là H 4  1200mm
19


e) Xylanh mở lắp thùng

Hình 4.8: Sơ đồ phân tích lực tác động lên xylanh mở nắp thùng
Ta xác định lực F5 do xylanh sinh ra cần thiết để ở nắp thùng dựa vào khối lượng
và chiều dài cánh tay địn từ trọng tâm của thùng tới trục quay (Hình 4.8).
Ta có:

P5  m5  g  50  9,81  490,5N
P l
490,5  0.8
F5  5 1 
 2031N
l2  cos 0.2  cos(150 )

Trong đó:

m5 , g Lần lượt là khối lượng nắp thùng và gia tốc trọng trường.
l1 , l2 Lần lượt là chiều dài cánh tay địn điểm đặt lực P5 , F5
Ta chọn hành trình của xylanh là H5  600mm
f)

Xylanh nén rác

Do rác thải thường có độ xốp nên chiếm nhiều diện tích của thùng rác và rác khi
chất lên xe thường tập trung ở phần đầu thùng nên ta cần sử dụng các xylanh để nén rác
nhằm đẩy rác về phía cuối thùng và tăng khối lượng rác có thể chứa trong thùng.
Xe có lực ép rác lớn nhất là 8000kG hệ số nén rác là 2 :1 chiều dài buồng ép rác
là 1000mm
Xe sử dụng 2 xylanh ép rác nên ta chọn lực ép F6 (Hình 4.8) một xylanh cần sinh
ra để nén rác là F6  40000 N
Hành trình của xylanh là: H 6  1000mm

20


g) Xylanh tầng
Tính lực xylanh tầng
Kích thước của thùng xe dài x rộng x cao là: 4m x 2.5m x 2m
Xe có thể tích thùng chứa rác là 20m3 , tổng khối lượng của thùng xe khi có đầy tải là:

10000kg

Hình 4.9: Sơ đồ phân tính lực xylanh tầng.
Từ sơ đồ phân tích lực Hình 4.9 ta tính được:
Trọng lượng của thùng rác khi đầy tải là:

P  m  g  10000  9,81  98100 N

Lực của xylanh cần tạo ra là:

FXL 

P A
B

Trong đó:
m Khối lượng của thùng khi đầy rác
A Là độ dài cánh tay đòn của FT
B Là độ dài cánh tay đòn của FXL

FXL 

P  A 98100  2

 98100 N
B
2

Tính hành trình của xylanh.
Dựa vào sơ đồ phân tích Hình 4.10 ta tính được hành trình của xylanh thơng qua
góc nghiêng lớn nhất của thùng xe và khoảng cách từ điểm đặt xylanh đến trục quay
thùng xe.

21


Hình 4.10: Sơ đồ phân tích hành trình xylanh tầng
Ta có:
Cơng thức tính hành trình xylanh tầng (dựa theo cơng thức tính cho bởi catalog
của hãng parker): H  B  D
Trong đó:

D Là hệ số tỉ lệ với góc nghiêng của thùng xe.
B Là khoảng cách từ điểm tâm trục quay thùng xe tới điểm đặt xylanh.
Bảng 4.1: Bảng tra hệ số D theo góc nghiêng của thùng
Hệ số D
Góc nghiêng (  0 )
Góc nghiêng(  0 )
0,715
420
490
0,733
430
500
0,750
440
510
0,765
520
450
0,780
460
530
0,797
470
540
0,813
480
550

Hệ số D
0,830

0,845
0,861
0,877
0,892
0,903
0.923

Dựa vào Bảng 4.1 với thùng xe nghiêng một góc 45o tra bảng ta được D  0,765
22


Hành trình xylanh:

H  B  D  2000  0,765  1530mm

4.1.2. Tính tốn thiết kế xylanh
Ta có lực tác dụng lên xylanh được tính theo cơng thức:

FP

 D2
4

Trong đó:
F - Lực tác dụng lên cần piston ( N )
P - Áp suất làm việc của hệ thống ( N / m2 ) được chọn theo dải áp suất làm việc
của bơm.
D - Đường kính piston ( m )
Sau khi tính được đường kính piston D ta tra bảng và chọn đường kính cần d
theo tiêu chuẩn.

Khi tính được đường kính D , d ta tiến hành tính tốn độ dày thành xylanh và
kiểm tra bền cho xylanh.
Để đảm bảo độ bền cho cần piston ta phải kiểm tra bền. Xuất phát từ điều kiện
bền của xylanh theo công thức:

K

 2 EJ
L2

Trong đó:
K Tải lớn nhất tính tới hệ số an toàn K  F  S
F Tải trọng tác dụng vào đầu cần.
S Hệ số an toàn thường lấy S  3,5

E Momen đàn hồi. Chọn vật liệu làm cần xylanh là thép E  2,1.106 kg / cm2

J Momen diện tích J 

 .d 4
64

cm4

d Đường kính cần piston (cm)
L Chiều dài phụ thuộc vào phương pháp cố định xylanh và cần piston (cm)
64.L2 .F .S
Vậy điều kiện bền cần piston là d 
 3E
4

Lưu lượng của mỗi xylanh được tính theo cơng thức:

Q 

 D2
4

Trong đó:
Q - Lưu lượng cần cung cấp tại mỗi xylanh.
 - Vận tốc của xylanh.
Vận tốc của xylanh được tính theo công thức:
23


H
t
Với H là hành trình của mỗi xylanh.



a) Xylanh kẹp
Chọn áp suất làm việc của xylanh là P1  5bar
Đường kính piston:

4 F1
4  1000

 0,05m  50mm
 P1

3.14  5  105

D1 =

Chọn theo bảng chuẩn ta được: D1 =50mm và d1 = 28mm.
Tính lại áp suất làm việc:

P1 

4  F1
4  1000

 509554 N / m2  5bar
2
2
  D1 3,14  0.05

Kiểm tra bền cho cần piston theo cơng thức:

64.L12 .F1.S
64.54,22.100.3,5
4
d1 

 1cm
 3E
3,143.2,1.106
4

Do đó cần piston đủ bền.

Tính lưu lượng cung cấp cho xylanh kẹp.
Lưu lượng cấp cho hành trình kẹp: 0,05m / s

 D12

3,14  0,052
Q 
 0,05 
 0,98.104 m3 / s  5,88l / ph
4
4
Lưu lượng cấp cho hành trình mở: 0,05m / s

Q 

 ( D12  d12 )
4

3,14  (0,052  0,0282 )
 0,05 
= 0,67.104 m3 / s = 4,04l / ph
4

b) Xylanh lật
Chọn áp suất làm việc của xylanh là P2  20bar
Đường kính piston:

D2 =

4 F2

4  4265

 0,052m
 P2
3,14  20  105
24


Chọn theo bảng chuẩn ta được: D2  50mm và d2  36mm
Tính lại áp suất làm việc:

4  F2
4  4265

 2173248 N / m2  22bar
2
2
  D2 3,14  0,05

P2 

Kiểm tra bền cho cần piston theo cơng thức:

d2  4

64.L2 2 .F2 .S
64.65,62.426,5.3,5
4

 1,58cm

 3E
3,143.2,1.106

Do đó cần piston đủ bền.
Lưu lượng cung cấp cho xylanh lật.
Lưu lượng cấp cho hành trình đẩy ra: 0,1m / s

Q 

 D2 2
4

3,14  0,052
 0,1
=1,96.104 m3 / s = 11,76l / ph
4

Lưu lượng cấp cho hành trình thu vào: 0,1m / s

Q 

 ( D2 2  d 2 2 )
4

3,14  (0,052  0,0362 )
 0,1
= 0,94.104 m3 / s = 5,67l / ph
4

c) Xylanh nâng hạ

Chọn áp suất làm việc của xylanh là P3  100bar
Đường kính piston:

D3 =

4 F3
4  29312

= 0,061m
 P3
3,14  100  105

Chọn theo bảng tiêu chuẩn ta được: D3  63mm , d3  45mm
Tính lại áp suất làm việc:

P3 

4.F3
4.29312

 9407943N / m2  94bar lấy P3  100bar
2
2
 .D3 3,14.0.063

Kiểm tra bền cho cần piston theo công thức:

d3  4

64.L32 .F3.S

64.1002.2931,2.3,5
4

 3,17cm
 3E
3,143.2,1.106

Do đó cần piston đủ bền.
25