Kỹ thuật thủy lực & khí nén: Thiết kế máy rèn khuôn song động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CHẾ TẠO MÁY



BÀI TẬP LỚN
Đề 7:

THIẾT KẾ MÁY RÈN KHN SONG ĐỘNG
GVHD:
Lớp:
Nhóm sinh viên thực hiện:
STT Họ và Tên MSSV
1
2
3

TP. Hồ Chí Minh, Ngày 31 tháng 8 năm 2021


MỤC LỤC
I.

Mô tả hoạt động máy ..............................................................................................2
1. Mô phỏng hoạt động của máy ............................................................................2
2. Xác định các cơ cấu chấp hành ..........................................................................3
3. Xác định các cảm biến.........................................................................................3
4. Xây dựng giản đồ Grafcet của máy ...................................................................3

II.

Xác định các thông số kỹ thuật (thiết kế) ..........................................................5

III.

Thiết kế mạch thủy lực .......................................................................................8

IV.

Tính tốn mạch thủy lực ...................................................................................10

1. Tính tốn xylanh ................................................................................................10
2. Tính tốn bơm ...................................................................................................11
3. Tính tốn ống .....................................................................................................12
4. Chọn các thơng số van.......................................................................................12
5. Tính tốn thùng dầu ..........................................................................................13
6. Bảng thơng số .....................................................................................................14
V.

Nhận xét mạch thủy lực....................................................................................14

VI.

Mô phỏng ............................................................................................................15

1|Page


I.

Mô tả hoạt động máy

Yêu cầu thiết kế:
 Máy rèn khuôn thủy lực song động.
 Lực ép 500 tấn.
 Năng suất: 2400-3000 sp/giờ.
1. Mô phỏng hoạt động của máy
 Máy hoạt động bằng thủy lực.
 Đặt phôi lên bàn máy.
 Xylanh trên mang khuôn hoạt động di chuyển nhanh xuống chạm vào máy thì di
chuyển chậm thực hiện tạo hình cho phôi.
 Xy lanh dưới sau khi thực hiện tạo hình xong, di chuyển đẩy sản phẩm lên khỏi
bàn máy.
Video và hình ảnh đính kèm.

Video 1.1: Máy ép thủy lực song động.

2|Page


2. Xác định các cơ cấu chấp hành
 Xylanh trên:

Hình 1.1: Xy lanh trên
 Xylanh dưới:

Hình 1.2: Xylanh dưới
3. Xác định các cảm biến
 Máy ép trong video sử dụng cảm biến quang. Việc sử dụng cảm biến cho xy lanh
thủy lực khiến tín hiệu sẽ trả về khi piston di chuyển giúp chúng ta có thể điều

khiển chúng một cách dễ dàng và tự động.
4. Xây dựng giản đồ Grafcet của máy
Chế độ tự động:

3|Page


Hình 1.3: Giản đồ Grafcet của máy
4|Page


II.

Xác định các thông số kỹ thuật (thiết kế)

Để đạt năng 2400-3000 sp/giờ theo yêu cầu tương đương với 40-50 sp/phút, thì 1 chu
kỳ làm việc của máy phải < 1,5 s.
Qua tham khảo ta chọn thông số kĩ thuật cho máy như sau:
 Lực ép danh nghĩa :

pH = 500 tấn = 5000 kN.

 Lực đẩy xylanh phụ:

pxp = 250 tấn = 2500 kN.

 Hành trình chính:

h1 = 800 mm.

 Hành trình đẩy dưới :

h2 = 650 mm.

 Tốc độ xuống nhanh của xylanh chính trong hành trình khơng tải: v1 = 2000 mm/s.
 Tốc độ xuống chậm của xylanh chính trong hành trình có tải:

v2 = 1000 mm/s.

 Tốc độ lên nhanh của xylanh chính trong hành trình không tải: v 3 = 2000 mm/s.
 Tốc độ của xylanh phụ: v4 = 2600 mm/s.
Hành trình:
 Đối với cụm xylanh piston chính :
+ Hành trình khơng tải với tốc độ nhanh 400 mm với vận tốc v1
+ Hành trình công tác với tốc độ chậm 400 mm với vận tốc v2
+ Thực hiện hành trình khứ hồi với tốc độ nhanh với vận tốc v3
 Đối với cụm xylanh đẩy dưới :
+ Hành trình lên nhanh 650 mm với vận tốc v4
+ Hành trình xuống nhanh 650 mm với vận tốc v4
Tính thời gian, vận tốc chu kì ép:
Ta có:
+ Hành trình di chuyển của xylanh chính: v1 = v3 = 2000 mm/s
+ Thời gian di chuyển xylanh chính:
t1 = 400/2000 = 0,2 s
t3 = 800/2000 = 0,4 s
+ Vận tốc hành trình ép: v2 = 1000 mm/s
+ Thời gian ép: t2 = 400/1000 = 0,4 s
+ Vận tốc hành trình đẩy: v4 = 2600 mm/s
5|Page

+ Thời gian đẩy: t4 = 650/2600 = 0,25 s
Yêu cầu trong một chu kì làm việc:
Khi bắt đầu:
 Xylanh chính phía trên xuống nhanh, sau khi gần tới bàn máy thì xuống chậm
để tải lực 5000 kN.
 Sau khi ép xong, xylanh chính đi lên nhanh.
 Xylanh phụ phía dưới đẩy lên đưa phơi ra ngồi.
Vậy 1 chu kỳ làm việc trong 1,5 s (bao gồm thời gian di chuyển lên xuống của các
xylanh).
Biểu đồ đặt tính làm việc 1 chu kỳ:
 Biểu đồ lực F theo thời gian:
Xylanh chính:
Lực F (kN)

6000

5000

5000
4000
3000
2000
1000

0

0

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Thời gian (.10-1s)

6|Page


Xylanh phụ:
Lực F (kN)
3000

2500

2500
2000
1500
1000
500

0

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

11

12

13

14

15

Thời gian (.10-1s)

 Biểu đồ vận tốc theo thời gian:
Xylanh chính:
Vận tốc v (mm/s)

2500

2000

2000

2000

2000

1500
1000

1000

1000

500
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

15

Thời gian (.10-1s)

Xylanh phụ:
Vận tốc v (mm/s)

3000

2600

2500
2000
1500
1000
500

0

0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Thời gian (.10-1s)

7|Page


III.

Thiết kế mạch thủy lực

Nguyên lý làm việc:
 Xylanh chính hoạt động di chuyển nhanh khơng tải đến vị trí S1 = 500 mm.
 Xylanh chính hoạt động di chuyển có tải (ép) 5000 kN đến vị trí S2 = 560 mm.
 Xylanh chính hoạt động di chuyển khơng tải đền vị trí ban đầu S0 = 0.
 Xylanh kết thúc hoạt động chuyển sang hoạt động của xylanh phụ.
 Xylanh phụ di chuyển không tải (đẩy vật) đến vị trí S4 = 300 mm.
 Xylanh phụ di chuyển khơng tải (qua về) đến vị trí ban đầu S3 = 0.
Ta chọn mạch sau:

Hình 3.1: Sơ đồ thủy lực của máy

8|Page


Ký hiệu:
1: Cụm máy bơm
2: Van 4/3
3: Van 4/n
4: Thùng dầu
5: Van áp suất
6: Đồng hồ đo áp suất
7: Van tiết lưu một chiều

9|Page


IV.

Tính tốn mạch thủy lực

1. Tính tốn xylanh
a. Xylanh chính
_ Lực ép danh nghĩa của máy là 500 tấn = 5000 kN.
_ Áp suất làm việc của chất lỏng là 50 MPa.
_ Đường kính lớn của xylanh:
D =

4. F
=
π. p

4.5000.10
= 356,82 mm
π. 50

 Chọn đường kính lớn lớn D1 = 360 mm.
_ Lưu lượng thực hiện vận tốc v1, v3:
π. D
4

Q =v .

= 2000.

π. 360 60
.
= 12214,5 lít/phút
4
10

_ Lưu lượng thực hiện vận tốc v2:
Q =v .

π. D
4

= 1000.

π. 360 60
.
= 6107,25 lít/phút

4
10

_ Áp suất khi ép:
p=

F. 4
π. D

=

5000.10 . 4
= 49,12 MPa
π. 360

_ Theo kinh nghiệm ta có:
Đường kính nhỏ của piston là: d1 = k.D1 với k=0,2 ÷ 0,5


d1 = (0,2 ÷ 0,5).360 = 72 ÷ 180 mm



Chọn d1 = 180 mm.

b. Xylanh phụ
_ Lực ép danh nghĩa của máy là 250 tấn = 2500 kN.
_ Áp suất làm việc của chất lỏng là 50 MPa.
_ Đường kính lớn của xylanh:

10 | P a g e


D =

4. F
=
π. p

4.2500.10
= 252,31 mm
π. 50

 Chọn đường kính lớn lớn D2 = 255 mm.
_ Lưu lượng thực hiện vận tốc v4:
Q =v .

π. D
4

_ Áp suất khi ép: p =

= 2600.
.
.

=

π. 255 60
.

= 7967 lít/phút
4
10
.

.

.

= 48,95 MPa

_ Theo kinh nghiệm ta có:
Đường kính nhỏ của piston là: d1 = k.D1 với k=0,2 ÷ 0,5


d1 = (0,2 ÷ 0,5).255 = 51 ÷ 128 mm



Chọn d1 = 128 mm.

2. Tính toán bơm
Bơm dầu là một loại cơ cấu biến đổi năng lượng , dung để biến cơ năng thành
động năng và thế năng (dưới dạng áp suất của dầu). Trong hệ thống thuỷ lực chỉ dùng
loại bơm thể tích , tức là loại bơm làm việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể
tích hút,và khi giảm thể tích bơm đẩy dầu ra, thực hiện chu kỳ nén.Nếu trên đường đẩy
ra ta đặt một vật cản (van), dầu bị chặn tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ
lớn của sức cản và kết cấu bơm.
_ Áp suất bơm: p = 50 MPa
_ Số vòng quay N = 4000 vịng/phút

_ Cơng suất bơm với lưu lượng lớn nhất:
𝑃=

𝑄 .𝑝
12214,5.50.10
=
= 10178,75 𝑘𝑊
600
600

_ Thể tích riêng của bơm:
V =

10 . Q
10 . 12214,5
=
= 3053,625 lít/vịng
N
4000

11 | P a g e


3. Tính tốn ống
Ống dẫn là một bộ phận quan trọng nối liền các cơ cấu thủy lực khác nhau
trong hệ thống. Chất lượng của đường ống ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng làm việc
của hệ thống.
Ống dẫn dùng trong hệ thống dầu ép thường là ống đồng và ống thép.
Đường kính ống với p = 50 MPa: d =

.

=

.

, .
.

.

= 227,68 mm

Vậy đường kính ống d = 250 mm
_ Chiều dày ống dẫn
s=

p. d 50.10 . 250
=
= 125 mm
2[δ]
2.500.10

Với:
[δ] = 500.105: ứng suất cho phép của ống dẫn thép.
Vậy chiều dày ống s = 125 mm
4. Chọn các thông số van
a. Van 4/3
 Loại van phân phối được sử dụng là loại van điều khiển bằng điện từ; thuỷ lực;
hoặc bằng tay.

 Van phân phối 4 cửa, 3 vị trí điều khiển bằng nút.
 Chọn van có lưu lượng lớn nhất là 20000 l/p và áp suất làm việc 1000 bar.
b. Van 4/n
 Loại van phân phối được sử dụng là loại van điều khiển bằng điện từ; thuỷ lực;
hoặc bằng tay.
 Van phân phối 4 cửa, 2 vị trí điều khiển bằng nút và tính hiệu hành trình.
 Chọn van có lưu lượng lớn nhất là 20000 l/p và áp suất làm việc 1000 bar.
c. Van áp suất
 Là van đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải về áp suất. Đảm bảo cho hệ thống
được an tồn, khơng bị phá vỡ đường ống, hỏng hóc các van khác,…
 Chọn van có áp suất cài đặt lớn nhất để chịu tải được là 1000 bar, lưu lượng
20000 l/p.
12 | P a g e


d. Van tiết lưu một chiều
 Là van điều chỉnh lưu lượng cung cấp cho xilanh. Nó kết hợp với van 1 chiều để
đề phòng van tiết lưu bị kẹt thì có van 1 chiều để đảm bảo cho thốt dầu khi quá
áp.
 Chọn van có lưu lượng cho qua lớn nhất là 20000 l/p, áp suất làm việc lớn nhất
được 1000 bar.
5. Tính tốn thùng dầu
Tính tốn thùng dầu dựa vào những chỉ tiêu sau:
 Đảm bảo cung cấp dầu cho toàn bộ hệ thống
 Nhiệt độ dầu nằm trong khoảng cho phép: t0 < [ t0]=550C.
 Kích thước thùng dầu phù hợp để bố trí các phần tử thủy lực trên mặt thùng dầu
và bên trong thùng dầu:
+ Thể tích dầu cịn lại trong trường hợp xilanh duỗi ra hết vẫn bảo đảm
ngập đầu vào. Thể tích này khoảng 10000 lít.
+ Mức dầu cao nhất trong thùng thấp hơn chiều cao thùng dầu 150 mm.

+ Thể tích dầu thuỷ lực điền đầy vào khoang khơng có cần của xilanh:
20000 lít.
+ Thể tích dầu điền đầy hệ thống đường ống: 5000 lít.
+ Dầu cần thiết: 10000 + 20000 + 5000 = 35000 lít
+ Lượng dầu cịn trong thùng khi xilanh duỗi ra hết: 1000 lít.
Từ đó ta chọn kích thước thùng dầu:
Dài x Rộng x Cao = 5000 mm x 5000 mm x 1550 mm= 38750 lít.

13 | P a g e


6. Bảng thông số
Bảng 6.1: Bảng thông số kỹ thuật của máy ép:
Xylanh chính (A)

D1 = 360 mm
d1 = 180 mm

Xylanh phụ (B)

D2 = 255 mm
d2 = 128 mm

Bơm

N = 4000 vịng/phút
VD = 3053,625 lít/vịng

Ống

d = 250 mm
s = 125 mm

Van 4/3

Qmax = 20000 lít/phút
pmax = 1000 bar

Van 4/2

Qmax = 20000 lít/phút
pmax = 1000 bar

Van áp suất

Qmax = 20000 lít/phút
pmax = 1000 bar

Van tiết lưu

Qmax = 20000 lít/phút
pmax = 1000 bar

Thùng dầu
V.

5000 mm x 5000 mm x 1550 mm

Nhận xét mạch thủy lực

 Mạch thủy lực điều khiển bằng tay và nút nhấn nên một chu kỳ có thể hơn tính
tốn.
 Mạch có cơng suất P lớn nên thực hiện thủy lực cho máy rất hợp lý.

14 | P a g e


VI.

Mơ phỏng

Hình 6.1: Mạch mơ phỏng của máy
Một chu kỳ gồm các bước:
 Khởi động.
 Nhấn nút 1 để điều kiển xylanh A.
 Nhấn nút 2 để xylanh A di chuyển và đạt vị trí S2.
 Nhấn giữ nút 3 để xylanh A quay về vị trí ban đầu S0.
 Nhấn nút 1 để chuyển về trạng thái chọn xylanh.
 Nhấn nút 4 để điều kiển xylanh B.
 Nhấn nút 5 để xylanh B thực hiện hành trình đi từ S3 đến S4 và quay trở về S3.
 Nhấn nút 4 để chuyển về trạng thái chọn xylanh.
 Tắt máy.
15 | P a g e