Tính toán thiết kế máy đóng mở kiểu xi lanh thủy lực

T i ª u c h u È n q u è c g I a	TCVN 8300 : 2009
Công trình thủy lợi - Máy đóng mở kiểu xi lanh thủy lực 
- Yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế, lắp đặt, nghiệm thu, bàn giao 
Hydraulics Structures - Hydraulic Operating Cylinder - Technical requirements on designing, erection, acceptance, trasfer 
3 Tính toán thiết kế máy đóng mở kiểu xi lanh thủy lực
3.1 Yêu cầu kỹ thuật cuả máy đóng mở kiểu xi lanh thuỷ lực
3.1.1 Đủ công suất để vận hành cửa van theo yêu cầu công trình.
3.1.2 Hệ thống thủy lực của máy đóng mở xi lanh thủy lực phải làm việc an toàn, thông suốt, điều khiển dễ dàng, nhiệt độ dầu không vượt ngưỡng cho phép, hiệu suất truyền cao nhất.
3.1.3 Không được rò rỉ dầu trong hệ thống.
3.1.4 Hai xi lanh phải làm việc đồng bộ, đồng tốc, không tụt, rơi cửa khi dừng.
3.1.5 Hệ thống có thể điều khiển bằng điện hoặc tay.
3.1.6 Vật liệu sử dụng phải phù hợp với điều kiện môi trường.
3.2 Vật liệu sử dụng
3.2.1 Vật liệu chế tạo các loại xi lanh, bơm, đường ống áp lực do tư vấn thiết kế cơ khí quy định. Khi sử dụng cần lưu ý tới môi trường nơi đặt thiết bị để lựa chọn cho phù hợp.
3.2.2 Cần pittông là thép các bon chất lượng cao (hoặc thép không rỉ), được mạ crome, crome –nikel hoặc phủ gốm kim loại.
3.2.3 Vật liệu sử dụng để thiết kế chế tạo các bộ phận còn lại phải là mới, có nhãn mác và xuất xứ rõ ràng, phù hợp với điều kiện môi trường tại vị trí lắp đặt.
3.2.4 Vật liệu thiết kế chế tạo trục treo, gối đỡ khớp nối phải bảo đảm có nhãn mác rõ ràng, chất lượng tốt, có khả năng xử lý bề mặt, phải lấy mẫu kiểm tra tại các phòng thí nghiệm hợp chuẩn khi không rõ nhãn mác. Vật liệu chế tạo phải đúng loại theo thiết kế.
3.2.5 Có thể sử dụng các loại thép của các nước khác nhau có chất lượng tương đương, nhưng phải được kiểm tra đầy đủ.
3.2.6 Que hàn sử dụng phải phù hợp vật liệu hàn theo quy định, phải bảo đảm chất lượng, bảo quản nơi khô ráo, chống ẩm tốt.
3.2.7 Vật liệu sơn phủ phải đúng với thiết kế, phù hợp điều kiện môi trường nơi đặt máy.
3.3 Xác định các thông số cơ bản 
3.3.1 Xác định vị trí đặt xi lanh để bảo đảm hành trình cửa van mở hết và đóng hết:
a) Cửa van phẳng: Xác định chiều cao đặt xi lanh;
b) Cửa van cung: Xác định vị trí treo xi lanh và phương pháp treo để mô men đóng mở hợp lý nhất, nhỏ nhất có thể và chiều dài làm việc của xi lanh bảo đảm an toàn cho phép. 
3.3.2 Xác định cánh tay đòn của xi lanh so với tâm quay của cửa ở vị trí đóng hết đối với cửa van cung
3.3.3 Xác định chiều dài của cần pittông khi co hết để mở của hoàn toàn.
3.3.4 Xác định lực đóng cửa (lực đẩy của xi lanh).
3.3.5 Xác định lực mở cửa (chiều co lại của xi lanh).
3.3.6 Xác định vị trí lắp tai kéo trên cửa.
3.3.7 Lựa chọn tốc độ đóng mở cửa van theo yêu cầu vận hành công trình, khi cửa đóng tới ngưỡng không gây va đập.
3.4 Tính toán các thông số cơ bản
3.4.1 Tính toán lực đóng mở cửa van, áp dụng công thức sau:
a) Lực đóng cửa van phẳng:
 Tđ ³ 1,2 (Tms + Tcn) + Pđ + Pt – 0,9 (G’ + GT) 	(1)
b) Lực mở cửa van phẳng:
 Tm ³ 1,1(G’ + GT) + 1,2(Tms +Tcn) + Ph +Vn 	(2)
c) Lực đóng cửa van cung:
 Tđ. 	(3)
d) Lực mở cửa van cung:
 	(4)
3.4.2 Tính toán lực giữ cửa van, áp dụng công thức sau:
a) Đối với cửa van phẳng:
Tg = 1,1. (G’ + GT) – (Tms + Tcn) + Pđ 	(5)
b) Đối với cửa van cung:
 	 	(6)	 
3.4.3 Các ký hiệu trong các công thức từ (1) đến (6) quy định như sau
a) Tms là lực ma sát của gối tựa động, N; 
b) Tcn là lực ma sát của gioăng chắn nước, N;
c) Pd là lực đẩy, N;
d) Pt là lực thấm, N;
e) G’ là trọng lượng cửa có kể tới lực đẩy nổi , N;
f) GT là trọng lượng các bộ phận treo cửa, N;
g) 1,2 là hệ số kể đến ma sát chưa tính hết;
h) 0,9 là hệ số giảm trọng lượng khi hạ;
i) 1,1 là hệ số tính đến khả năng tăng trọng lượng khi mở;
k) Ph là lực hút ở đáy cửa khi mở, N;
l) Vh là trọng lượng cột nước trên đỉnh cửa, N;
m) Mo là mô men ma sát trong ổ quay, Nm;
n) Mcn là mô men ma sát của gioăng chắn nước, Nm;
o) Md là mô men do lực đẩy, Nm;
p) Mt là mô men do lực thấm, Nm;
q) Mh là mô men do lực hút, Nm;
r) RQ là bán kính tâm trục xi lanh thuỷ lực đến tâm quay của cửa, m.
3.5 Lực đóng mở của xi lanh thuỷ lực 
3.5.1 Lực đẩy pitton ra (đóng cửa van) Pd
	 	(7)
3.5.2 Lực co pittông lại (mở cửa van) Pc
	 	(8)
3.5.3 Áp suất làm việc của xi lanh khi đóng p1
	 	(9)
3.5.4 Áp suất làm việc của xi lanh khi mở p2
 	 	 (10)
3.5.5 Các thông số cơ bản khi tính toán chọn xi lanh thủy lực bao gồm:
a) Khi tính toán chọn xi lanh thủy lực cần xác định trước các thông số cơ bản theo đặc điểm của công trình quy định tại các khoản b, c, d của điều 3.5.5 và chọn vật liệu chế tạo quy định tại điều 3.2;
b) Hành trình pittông S, mm;
c) Lực (với 1 xilanh): (có thể tính đến ma sát khi chuyển động ở các khớp);
d) Đường kính xilanh:
+ Đường kính trong xi lanh D, mm;
+ Đường kính cần d, mm: 
Xác định theo công thức y = d/D . Trong đó y = 0,5 ¸ 0,8 .
3.5.6 Thể tích làm việc hữu ích của khoang trên một xi lanh xác định theo công thức:
 V = F1.S , mm3	(11)
3.5.7 Lưu lượng dầu cần thiết cung cấp cho nguồn: với 1 bộ nguồn cung cấp lưu lượng cho 1 cửa (trong trường hợp 2 xi lanh cho 1 cửa) xác định theo công thức:
 , L/min 	 	(12)
3.5.8 Xác định kích thước thùng dầu: Lượng dầu thủy lực cần thiết phải có khi lắp đặt và vận hành hệ thống được tính toán dựa trên các thông số sau đây: 
- Thể tích dầu còn lại trong trường hợp hạ cửa hoàn toàn (khi xi lanh duỗi ra hết) phải bảo đảm sao cho đầu vào của bộ lọc hút lắp tại đầu ống hút của bơm thủy lực vẫn ngập trong dầu; 
- Chiều cao của thùng dầu được xác định sao cho trong trường hợp xi lanh co lại hết thì mức dầu trong thùng phải thấp hơn chiều cao thùng dầu ít nhất là 200 mm. 
3.5.9 Công suất động cơ dẫn bơm, kW:
 	(13)
3.5.10 Vận tốc chất lỏng trong ống đẩy, m/min:
 	 (14) 
3.5.11 Vận tốc chất lỏng trong ống hút, m/min: 
 	 	(15)
 3.5.12 Vận tốc đầu cán pittông khi đóng, m/min: 
 	 	(16) 
3.5.13 Vận tốc đầu cán pittông khi mở, m/min:
 	(17)
3.5.14 Tính toán chọn bơm làm việc cho hệ thống
Từ kết quả tính toán ở trên xác định được áp suất yêu cầu pyc (bar) và lưu lượng yêu cầu Q (L/min). trong đó:
 là diện tích tiết diện chất lỏng trong xi lanh phía không có cán, mm2 ;
là diện tích tiết diện chất lỏng trong xi lanh phía có cần pittông, mm2 ; 
p1, p2 là áp suất dầu trong khoang xi lanh có F1 và F2, bar;
η, ηck là hiệu suất toàn phần và hiệu suất cơ khí của máy thuỷ lực;
y = d/D là tỷ số đường kính cần pittông và pittông (đường kính trong xi lanh), mm;
ηb là hiệu suất bơm;
Q là lưu lượng chất lỏng yêu cầu, L/min;
Qb là lưu lượng chất lỏng cửa bơm, L/min;
pb là áp suất dầu ở miệng xả của bơm, bar;
dd là đường kính trong đường ống đẩy, mm;
dh là đường kính trong đường ống hút, mm.
 3.5.15 Tính toán trục liên kết của cần pít tông với cửa: Từ đường kính lắp với cần pít tông, lập sơ đồ tính toán kích thước còn lại của trục treo, giá đỡ phù hợp điều kiện từng công trình
3.5.16 Tính toán kiểm tra ổn định và độ bền của cần pit tông tiến hành như sau:
a) Các pít tông chỉ chịu lực dọc trục, lúc tính bền cần kiểm tra ổn định chiều chịu nén, độ võng do trọng lượng bản thân;
b) Công thức tổng quát tính độ mảnh l:
 (18)
c) Xác định lực tới hạn chịu nén theo công thức Eler:
 [KN]; khi {l>l0} (19)
d) Tính lực tới hạn theo phương pháp Tetmajer:
 ; khi {l≤l0} (20)
e) Mômen quán tính I:
 [mm4] (21)
g) Độ mảnh l đối với tiết diện tròn:
 (22)
trong đó:
là hệ số an toàn;
E = 210 000 N/mm2 là môdun đàn hồi của thép cán pít tông;
l0 = 89 là độ mảnh giới hạn;
d là đường kính cần pittông, mm;
F là diện tích tiết diện cần pittông, mm2; 
Lk là chiều dài thu gọn khi nén. Chiều dài Lk phụ thuộc vào phương pháp định vị xi lanh thủy lực trên công trình và được xác định theo các Hình 2, Hình 3, Hình 4, Phụ lục A.