PHAN THÀNH THIẾT MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN MÁY ÉP THỦY LỰC 400 TẤN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI 2007
- 1 -
MỤC LỤC

Trang
Mục lục……………………………………………………………1
MỞ ĐẦU……………………………………………………… 3
Chương I:TỔNG QUAN VỀ MÁY ÉP THUỶ LỰC…………… 4
Các loại máy ép thuỷ lực………………………………………… 4
Nguyên lý hoạt động chung……………………………………….5
Các bộ phận chính của máy ép thuỷ lực…………………………6
Máy ép thuỷ lực trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực…… 7

Chương II:HỆ THỐNG THUỶ LỰC…………………………… 10
2.1 Một số tính chất cơ bản của chất lỏng………………………… 10
2.2 Các thông số cơ bản của máy ép thuỷ lực……………………….14
2.3 Hệ thống thuỷ lực của máy ép 400 tấn
trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực………………………………18

Chương III: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………………………….23
3.1 Khái niệm cơ bản về điều khiển………………………………… 23
3.2 Hệ thống điều khiển của máy ép 400 tấn
trong công nghệ chế tạo thiết bị áp lực………………………………27

Chương IV: KHUNG MÁY ÉP………………………………….30
4.1 Sơ lược về phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH)…….30
4.2 Quá trình tính, thiết kế khung máy ép……………………… 35


Đất nước ta hiện nay đang trên con đường 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 bước đổi mới và đạt được
nhiều thành tựu quan trọng. Ngày nay, có rất nhiều sản phẩm cơ khí
được gia công bằng phương 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 nước 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 như các loại máy khác.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ của
Trường Đại học Công nghệ, đặc biệt là GS. TSKH. Đỗ Sanh đã giúp đỡ
tác giả trong quá trình học tập tại trường và thực hiện tốt luận văn này. 4

Chương 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 P


5
Máy ép dập tấm kiểu tác dụng đơn giản, P
H
=0,510MN; Máy ép vuốt
để vuốt sâu các chi tiết hình trụ, P
H
=0,34MN;Máy ép để gấp mép, tạo
mặt bích, để uốn và dập các loại tấm dày,P
H
=345MN; Máy ép để lốc,
để uốn vật liệu dày và nóng, P
H
=3200MN

+ Để thực hiện công việc lắp ráp
+ Để xử lý các phế liệu kim loại
Máy ép đóng gói và đóng bánh,được dùng để ép các phế liệu như
phoi kim loại, P
H
=16MN

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 như 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

2,nó sé tạo ra lực P
2
=p.f
2
tác dụng lên phôi 3.
Trên cơ sở định luật Pascal ta có:
1
2
12
.
f
f
PP 

Diện tích f
2
lớn hơn diện tích f
1
bao nhiêu lần thì lực P
2
sẽ lớn hơn
lực P
1
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 được tính toán, thiết kế và
chế tạo từ kim loại(thường là thép) đảm bảo đủ độ bền, độ biến dạng và
tuổi thọ cần thiết để chịu được tải trọng làm việc yêu cầu. Tuỳ thuộc vào

8

Hình 1.2: Bồn chứa CO
2
lỏng Hình 1.3: Phần chỏm cầu
9 Hình 1.4: Máy vê chỏm cầu. Yêu cầu công nghệ đối với máy ép thủy lực
Với yêu cầu chế tạo các bồn chứa có đường 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.

11
2.1.2 Chất lỏng có khối lượng và trọng lượng
Chất lỏng có khối lượng, gọi thể tích chất lỏng là V(m
3
), khối lượng
là M(Kg) thì tỷ số:
)/(
3
mKg
V
M



(2.1)

được gọi là khối lượng riêng hoặc khối lượng đơn vị của chất lỏng
hay mật độ của chất lỏng.
Trọng lượng riêng của chất lỏng ký hiêu là :
)/(
3
mNg



(2.2)

ở đây g là gia tốc trọng trường g=9.81 m/s
2



(2.4)

Trong đó: V(m
3
): Thể tích của chất lỏng
p(N/m
2
): Áp suất của chất lỏng
Lấy dấu trừ (-) để cho >0 vì
0
dp
dV

Số nghịch đảo của : 12
)/(
1
2
mNE



(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




(2.7)

Hệ số nhớt  và v đồng biến với áp suất, nghịch biến với nhiệt độ.

2.1.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt 13
Hệ số nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ ảnh hưởng
lớn trong khu vực nhiệt độ thấp. mối liên hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt có
thể biểu diễn bằng \quan hệ sau:
)(
0
0
tt
e





(2.8)

Trong đó: , 
0
: độ nhớt động lực ở t và t
0

K: số mũ tuỳ thuộc loại dầu
2.1.4.3 Ảnh hưởng của áp suất tới độ nhớt
Khi áp suất tăng từ 0 đến (300 400) át thì hệ số nhớt tăng với áp suất
theo quy luật gần như đường thẳng, áp suất tăng hơn nữa thì hệ số nhớt
tăng theo đường cong.
Sự phụ thuộc của v và p có thể biểu diễn bằng công thức:
v
p
=v(1+Kp)
(2.10)

Trong đó: v: Hệ số nhớt khi áp suất bằng áp suất khí trời.
K: Hệ số phụ thuộc vào loại dầu.
p: áp suất tính bằng at
Trong thực tế với các dầu khoáng sản dùng trong truyền động khi
p=90 500 at có thể dùng công thức thực nghiệm:
v
p
=(1+0.003p)v
(2.11)
14
Trong các hệ thống truyền động thường có các khe rò rỉ. Lưu lượng
rò rỉ sẽ tăng khi áp suất tăng. Nhưng khi áp suất tăng thì hệ số nhớt cũng
tăng nên lại hạn chế lưu lượng này. Vì vậy phải xét kỹ sự biến đổi độ
nhớt khi áp suất tăng.

2.1.4.4 Chất lỏng Niutơn và không Niutơn




1
0

(2.13)

Trong đó  và 
0
là khối lượng riêng ứng với nhiệt độ t
o
và t
o
02.1.6 Các lực tác động trong chất lỏng- áp suất
Tất cả các lực tác động trong chất lỏng đều có thể chia làm hai loại:
Lực khối và lực mặt.
Lực khối là lực tác động lên tất cả các phân tố chất lỏng trong khối
chất lỏng khảo sát. Ở điều kiện phân bố đều, lực khối tỷ lệ với thể tích 15
chất lỏng nên còn được gọi là lực thể tích. Lực quán tính, lực từ, lực điện
trường, trọng lực đều là lực khối.
Vectơ tổng hợp của lực khối:
dVfF
V


(2.15)2.2 Các thông số cơ bản của máy ép thủy lực
Chất lỏng làm việc trong các loại máy ép thủy lực là chất lỏng không
chịu nén và không xét tới ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ. Các thông
số cơ bản của máy ép thủy lực là: 2.2.1 Cột áp
Cột áp của máy thủy lực (H) là năng lượng của một đơn vị trọng
lượng chất lỏng (năng lượng đơn vị) của dòng chảy trao đổi được với
máy thủy lực, tính bằng mét cột chất lỏng(hình 2.1). 16

Hình 2.1
g
vvPP
zH
AABBAB
BA
2
22


2
22




(2.19)Trong đó : p
A
, p
B
: áp suất tại mặt cắt A-A và B-B
v
A
, v
B
: vận tốc dòng chảy tại mặt cắt A-A và B-B
z: độ cao
H
t
: cột áp tĩnh 17
H
d
: cột áp động
Như vậy cột áp H chính là chênh lệch năng lượng đơn vị của dòng

Nếu không có tổn thất thì N=N
tl
. Nhưng thực tế luôn có tổn thất nên
N khác N
tl
.
2.2.4 Hiệu suất 18
Hiệu suất của máy thủy lực đánh giá tổn thất năng lượng trong quá
trình máy trao đổi năng lượng với chất lỏng.
Trong máy thủy lực có ba loại tổn thất năng lượng:
Tổn thất cột áp của dòng chảy qua máy gọi là tổn thất thủy lực, được
đánh giá bằng hiệu suất cột áp 
H

Tổn thất ma sát của các bộ phận cơ khí gọi là tổn thất cơ khí, đánh
giá bằng hiệu suất cơ khí 
c

Tổn thất do rò rỉ chất lỏng làm giảm lưu lượng của máy gọi là tổn
thất lưu lượng, được đánh giá bằng hiệu suất lưu lượng 
Q

Vì vậy hiệu suất của máy thủy lực là:
=

trong các máy có áp suất nhỏ và nhiệt độ cao, nhất là ở những nơi mà
chất lỏng có vận tốc và áp suất thay đổi đột ngột. Khi xảy ra xâm thực,
dòng chảy trong máy bị gián đoạn, làm máy rung nhiều và gây ra tiếng
động bất thường làm cho lưu lượng, áp suất và hiệu suất của máy bị
giảm đột ngột.
Để tránh hiện tượng xâm thực, cần phải hạn chế áp suất làm việc của
chất lỏng lớn hơn áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ làm việc. Tức là duy
trì p>p
bh

2.3 Hệ thống thủy lực của máy ép 400 tấn trong công nghệ chế tạo
thiết bị áp lực
Do máy ép có lực ép lớn, nên để sử dụng một cách tốt hơn công suất
của động cơ điện, ta sử dụng bơm kép: Phần lưu lượng có lưu lượng lớn
dùng cho hành trình chạy không của piston, phần cao áp chỉ bổ sung một
lượng nhỏ dầu có áp suất cao cho xilanh khi làm việc. Để đảm bảo tốc
độ và hiệu quả làm mát, ta sử dụng hệ thống làm mát riêng (hình 2.2). 20

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống thủy lực

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của mạch thủy lực
2.3.1.1 Mạch chính
Quá trình không tải: Dầu được bơm kép 10-11 hút từ thùng chứa đi
qua bầu lọc 12, van một chiều 7 và van lưu lượng một đầu điện 6 về
thùng chứa.
Quá trình nâng piston: Kích hoạt đồng thời đầu S2 của van 5 và đầu
S3 của van 6. Dầu bị van 6 chặn không thể về thùng mà qua van 5 rồi

2.3.1.2 Mạch làm mát
Dầu được bơm làm mát 15 hút qua lọc sơ cấp 16, đẩy qua lọc thứ cấp
14 rồi đi qua bộ làm mát 13 trở về thùng chứa. Nước làm mát được cung
cấp bởi nguồn riêng.

2.3.2 Tính chọn các thông số của bơm và động cơ
2.3.2.1 Mạch chính
Với yêu cầu của máy, ta chọn xilanh có đường kính ngoài 620
đường kính trong 360 (cũng là đường kính phần có ích của piston,
d=360). Hành trình piston là 1m. Để có lực ép 400 tấn thì áp suất của
xilanh cần là: 22
)/(3930
36
4000000.44
2
22
2
cmN
d
P
S
P
p 


Trong đó: P: Lực ép của xilanh , P=400 tấn=4 000 000 N
S: Diện tích làm việc của xilanh

(do đặt trước ở van 8). Để có công suất cực đại
trong quá trình này ta tính với áp suất dầu là p
1
=1000 N/cm
2
.
Piston cần cấp một công suất là N
p1
, với lưu lượng Q
1

)(34)(929.33
240
2361000
60460
2
1
2
111
1
Kww
xxx
x
vdpSvp
N
P



(2.24)

p2
,Q
2
- 23 -
)34)(335.33
240
5.0363930
60460
2
2
2
222
2
Kww
xxx
x
vdpSvp
N
p



(2.26)

)/(515
4
6.3

=200 l/p.
Áp suất bơm làm mát p
lm
không quá 150 N/cm
2
. Ở đây lấy p
lm
= 150 N/cm
2

Với các thông số này, công suất của cụm bơm và động cơ là N
lm
:
N
lm
=p
lm
Q
lm
/6120
(2.28)

Với p
lm
tính bằng N/cm
2
, Q
lm
tính bằng l/p, 6120 là hằng số chuyển đơn
vị, N