giao trinh thuy khi và điều khiển điện khí nén

MỤC LỤC Giáo trình truyền động thủy khí MỤC LỤC CHƯƠNG 1 1 1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ thủy lực 1 2 Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 1 2 1 Ưu điểm 1.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1:

1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ thủy lực

1.2 Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực

1.5.1 Sơ đổ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến

1.5.2 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay

1.6 Tổn thất trong hệ thống truyền động bằng thủy lực

1.7 Độ nhớt và yêu cầu đối với yêu cầu thủy lực

CHƯƠNG 3: CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ DẦU

2.1 Bơm dầu và động cơ dầu

2.1.1 Nguyên lí chuyển đổi năng lượn

2.1.2 Các đại lượng đặc trưng

2.1.3 Các công thức tính toán bơm và động cơ dầu

2.1.9 Tiêu chuẩn chọn Bơm

2.2 Xilanh truyền động (cơ cấu chấp hành)

2.4.2 Phân loại theo kích thước lọc

2.4.3.Phân loại theo kết cấu

3.3 Van đảo chiều

3.4 Các loại van điện thủy lực ứng trong mạch điều khiển tự động

3.5 Cơ cấu chỉnh lưu lượng

CHƯƠNG 6: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ khí nén

6.2 Khả năng ứng dụng của khí nén

6.4 Sơ đồ nguyên lý truyền động

6.5 Đơn vị đo các đại lượng cơ bản

CHƯƠNG 5: CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN

7.1 Cơ cấu chấp hành

7.2 Van đảo chiều

7.3 Van chặn

7.4 Van tiết lưu

7.5 Van điều chỉnh thời gian

7.6 Van chân không

7.7 Cảm biến bằng tia

CHƯƠNG 8: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN8.1 Hệ thống điều khiển bằng khí nén

8.2 Hệ thống điều khiển bằng điện khí nén

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN 1: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được những ưu điểm, nhược điểm của hệ thống thủy lực

- Vận dụng được phương trình Bernulli vào các bài toán

Nội dung của bài: Thời gian:

1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động thủy

lực:

Thủy khí động lực biểu thị sự liên hệ rất chặt chẽ giữa khoa học và yêu cầuthực tế Nông nghiệp đã đòi hỏi thủy lợi phát triển rất sớm như kênh đào, đập nước,đóng thuyền, bè,… Chẳng hạn như nhà bác học Acsimet (287-212, trước côngnguyên) đã phát hiện ra lực đẩy Acsimet

Nhà danh họa Ý Leona D’vancy (1452-1519) đã đưa ra khái niệm về lực cảncủa chất lỏng lên các vật chuyển động trong nó Ông cũng là người muốn tìm hiểu tạisao loài chim lại có thể bay được nhưng tận 400 năm sau hai nhà bác học Jucoxki vàkutta mới giải thích được đó là lực nâng Hai nhà bác học người Thụy Sỹ:L’Ơle(1707-1783) và D’.Bernuli(1700-1782) là những người đặt cơ sở lí thuyết chothủy khí động lực, tách khỏi cơ học lí thuyết để trở thành 1 ngành khoa học riêng Đếnnăm 1920 khoa học thủy khí đã ứng dụng trong trong lĩnh vực máy công cụ Nămnăm sau (1925) đã ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng như: khaithác mỏ, máy hóa chất, giao thông vận tải, hang không,…

Từ năm 1960 đến nay đã ứng dụng rộng rãi trong các máy tự động hóa và dâychuyền thiết bị với trình độ cao, có khả năng điều khiển bằng máy tính, hệ thốngtruyền động bằng thủy lực với công suất lớn

1.2 Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực

1.2.1 Ưu điểm:(8 ưu điểm)

- Truyền động được công suất lớn, nhờ vào các cơ cấu trong hệ thống tương đốiđơn giản, và độ tin cậy cao, ít phải chăm sóc và bảo dưỡng

- Điều khiển được nhiều vận tốc (dễ thực hiện tự động hóa theo chương trình cósẵn)

- Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ, được dùng nhiều trong hệ thống tự động

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước (của hệ thống) nếu chọn chọn ápsuất thủy lực cao

- Nhờ quán tính nhỏ và khả năng chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốccao mà không sợ bị va đập như hệ thống cơ khí

- Khả năng tự bôi trơn rất tốt do trong truyền động thủy lực chủ yếu là dầu

- Truyền động êm, không gây tiếng ồn

- Dễ dàng đề phòng sự cố khi quá tải nhờ các van an toàn

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi, do tính nén được của chấtlỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn (chủ yếu là khí).

- Khi mới khởi động hệ thống làm việc chưa ổn định do nhiệt độ chưa ổn định,

do độ nhớt của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ

1.3 Định luật của chất lỏng:

1.3.1 Áp suất thủy tĩnh

Trong các chất lỏng (áp suất do trọng lượng và áp suất do ngoại lực) tác độnglên mỗi phần tử của mặt chịu áp suất trong bình chứa không phụ thuộc vàohình dạng của bình

ρ – là khối lượng riêng của chất lỏng

h – là chiều cao của cột nước

A,A1,A2 – diện tích bề mặt tiếp xúc

F – tải trọng ngoài

1.3.2 Phương trình dòng chảy liên tục

Lưu lượng chảy (Q) chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là hằng số, lưu

lượng Q của chất lỏng qua mặt cắt A của ống bằng nhau trong toàn ống (đều

(nếu tiết diện chảy là hình tròn)

Từ (1.5) ta suy ra vận tốc chảy tại vị trí 2 là: (Hình 1.2.Dòng chảy liên tục)

2 1

v1: vận tốc dòng chảy tại vị trí 1 (m/giây)

v2: vận tốc dòng chảy tại vị trí 2(m/giây)

A1: tiết diện dòng chảy tại vị trí 1 (m2)

A2: tiết diện dòng chảy tại vị trí 2 (m2)

ρρ

+  là áp suất thủy tĩnh

Theo đơn vị đo trong hệ SI là Pascal (Pa)

b Lưu lượng (Q): m3/phút hoặc l/phút.

Trong cơ cấu biến đổi năng lượng dầu ép (bơm dầu, động cơ dầu) cũng có thể dùng đơn vị là m3/vòng, hoặc l/vòng.

- Mang năng lượng: dầu

- Truyền năng lượng: ống dẫn

- Tạo ra năng lượng hoặc chuyển đổi thành năng lượng khác: hệ thống bơm,

động cơ, xilanh…

1.6 Tổn thất trong hệ thống truyền động bằng thủy lực

1.6.1 Tổn thất thể tích

Tổn thất này sinh ra do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử

của hệ thống Khi áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn

Tổn thất thể tích xảy ra chủ yếu ở các cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm, xilanh,…)

Đối với bơm dầu: Tổn thất thể tích được thể hiện bằng hiệu suất sau

0

tb

Q Q

Q: là lưu lượng thực tế của bơm dầu

Q0: Lưu lượng danh nghĩa của bơm

cb

N N

- Sự thay đổi tiết diện

- Sự thay đổi hướng chuyển động

Hiệu áp suất ∆P là trị số tổn áp suất

Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ gây nên được tính theo công thức

Hình 1.6 Dạng tiết diện tròn

 Tổn thất : p 82 .l Q .5 2

D

ρλπ

∆ =

256

LAM

D v Q

4

D1: đường kính ống dẫn vàoD2: đường kính ống dẫn ra

Hình: Tiết diện thay đổi lớn đột ngột

c Tiết diện thay đổi nhỏ đột ngột

Hình: tiết diện thay đổi nhỏ đột ngột

d Tiết diện thay đổi lớn từ từ

8 0,12 0, 2 1 D Q

p

ρπ

Hình: Tiết diện thay đổi lớn từ từ

e Tiết diện thay đổi nhỏ từ từ

Tổn thất: ∆ =p 0

Q p

D

ρξ

SắcGãy khúcTròn

Có trước

0,50,250,06

U

Q p

D

ρξ

3000

8

U

Q p

D

ρξ

π

∆ =

Hình:

Ống dẫn gãy khúc

Ngoài ra còn có tổn thất áp suất ở van, và

a Độ nhớt động lực

Độ nhớt động lực μ là lực ma sát tính bằng 1N tác động trên 1 đơn vị diện tích

bề mặt 1m2 của 2 lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng, cách nhau1m và có vận tốc là 1m/s

Độ nhớt động lực μ được tính bằng Poazơ (kí hiệu là P)

1P = 0,1N.s/m2 = 0,010193KG.s/m21P = 100cP (centi Poazơ)

Độ nhớt động là tỉ số giữa hệ số nhớt động lực và khối lượng riêng của chấtlỏng

v ηρ

= (m2/s)

c Độ nhớt Engler(E0)

Độ nhớt Engler là một quy ước dùng để so sánh thời gian chảy của 300cm3 quađường kính ống dẫn có đường kính 2,8mm với thời gian chảy của 300cm3 nướccất ở nhiết độ 20oC có cùng đường kính

Kí hiệu: E0 = t/tn

1.7.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực

Chất lỏng làm việc phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đảm bảo khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn về nhiệt độ và áp suất

- Độ nhớt phải ít phụ thuộc vào nhiệt độ

- Có tính trung hoa(trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế khả năng sâm nhập của khí, và dễ dàng tách khí ra ngoài.

- Độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt

- Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, dẫn nhiệt tốt, ít hòa tan trong nước và không khí, có mođun đàn hồi, hệ số nở về nhiệt và khối lượng riêng nhỏ.

CHƯƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG

THỦY LỰC

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được công dụng và cấu tạo các loại van đảo chiều, van tiết lưu

2.1 Khái niệm

Hệ thống điều khiển bằng thủy lực gồm có các phần tử sau:

a Cơ cấu tạo năng lượng (bơm dầu, bộ lọc…)

b Phần tử nhận tín hiệu: Các loại nút nhấn…

c Phần tử xử lí: van áp suất, van điều khiển từ xa…

d Phần tử điều khiển: van đảo chiều…

e Cơ cấu chấp hành: Xilanh, động cơ dầu

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển bằng thủy lực

2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực

Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực

Van áp suất gồm các loại sau:

- Van tràn và van an toàn

- Van giảm áp

- Van cản

- Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực

a Van tràn và van an toàn

Van tràn và van an toàn được dùng để hạn chế cho việc tăng áp suất chất lỏngtrong hệ thống thủy lực khi vượt hệ số quy định Van tràn làm việc dựa trên sựcân bằng tác dụngcủa những lực ngược chiều nhau trên nút van thường xuyên,van an toàn chỉ lam việc khi quá tải

Kí hiệu van tràn và van an toàn

Ví dụ: Van tràn kiểu lò xo (van tràn điều khiển trực tiếp): Trạng thái chưatác động

Trạng thái tác bị tác động

b Van tràn kiểu con trượt (điều khiển gián tiếp)

Hình2.3: van tràn điều khiển gián tiếp

- Khi áp suất ở 3 tăng lên làm cho núm chặn 2 mở ra (về bên phải), khi đó dầu

sẽ theo rãnh chữ T đi ra thùng chứa [(1) là đường vào của dầu]

- Một trong những đặc tính quan trọng của van tràn là sự thay đổi áp suất điềuchỉnh, khi thay đổi lưu lượng Q sự thay đổi này càng ít van làm việc càng ổnđịnh

-Đường biểu diễn sự thay đổi áp suất gọi là đường đặc tính của van

Hình2.4: Đồ thị đường đặc tính của van tràn

1 Đường đặc tính của van tràn điều khiển trực tiếp

2 Đường đặc tính của van tràn

3 Điều khiển gián tiếp

2.3.2 Van giảm áp

Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấpnăng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau Lúc này ta phải chobơm thủy lực làm việc với áp suất lớn nhất Và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấuchấp hành để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết

Nguyên tắc làm việc của van giảm áp dựa trên sự cân bằng tác dụng củanhững lực ngược chiều nhau trên nút van Lực tạo thành bởi kết cấu van (lò xo) và

áp suất của chất lỏng tại cửa ra A

Hình 2.5: Kết cấu của van giảm áp

- Ví dụ về mạch thủy lực có van giảm áp:

Hình2.6: Mạch thủy lực có van giảm áp

2.3.3 Van cản (van đóng, mở nối tiếp)

Van có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong thệ thống cho nên hệ thống luôn códầu bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm

- Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra, số cửa van đảo chiều thường là 2,3,4,5.

trường hợp đặc biệt có thể nhiều hơn.

- Số vị trí (số ô): là số định vị con trượt của van, thông thường van có 2 hoặc 3 vị

trí

2.4.3 Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (van 2/2):

Số cửa

Vị trí

- Ví dụ về mạch lắp van 2/2:

2.4.4 Van đảo chiều 3/2

- Ví dụ mạch có lắp van 3/2:

2.4.5 Van đảo chiều 4/2

Trạng thái bị tác động:

Sơ đồ mạch có van 4/2

2.4.6 Van đảo chiều 4/3

Vị trí trung gian của P nối với cửa T

2.4.7: Các loại tín hiệu tác động

a loại tín hiệu tác động bằng tay

Nút ấn tổng quát nút bấm Tay gạt Bàn đạp

b Loại tín hiệu tác động bằng cơ:

Đầu dò Lò xo Cữ chặn bằng con lăn

Bảng tóm tắt kí hiệu các loại van:

2.5 Van tiết lưu

∆ = − : áp suất trước và sau khe hở

ρ: là khối lượng riêng của dầu

Kí hiệu:

Van tiết lưu điều chỉnh theo kiểu dọc trục:

Van tiết lưu điều chỉnh theo kiểu quay quang trục:

Hình 2.8: mối quan hệ giữa ∆p và q v

Ví dụ về mạch có lắp van tiết lưu

CHƯƠNG 3: CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ HỆ THỐNG

XỬ LÝ DẦU

Mục tiêu của bài:

Trình bày được nguyên lý và tác dụng của các loại bơm dầu,

Công dụng và cấu tạo của bộ lọc dầu

Nội dung của bài: Thời gian:

3.1 Bơm dầu và động cơ dầu

3.1.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng

Bơm và động cơ dầu là hai thiết bị có chức năng khác nhau Bơm là thiết bịtạo ra năng lượng, còn động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng này Tuy thếkết cấu và phương pháp tính toán của bơm và động cơ dầu cùng loại giốngnhau

a Bơm dầu: là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thànhnăng lượng của dầu (dòng chất lỏng) Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùngbơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cáchthay đổi thể tích các buồng làm việc, khi thể tích của buồng làm việc tăng, bơmhút dầu, thực hiện chu kỳ hút và khi thể tích của buồng giảm, bơm đẩy dầu rathực hiện chu kỳ nén

Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thểphân ra hai loại bơm thể tích:

+/ Bơm có lưu lượng cố định, gọi tắt là bơm cố định

+/ Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh.Những thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất

b Đông cơ dầu: là thiết bị dùng để biến năng lượng của dòng chất lỏngthành động năng quay trên trục động cơ Quá trình biến đổi năng lượng là dầu

có áp suất được đưa vào buồng công tác của động cơ Dưới tác dụng của ápsuất, các phần tử của động cơ quay

Những thông số cơ bản của động cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay vàhiệu áp suất ở đường vào và đường ra

3.1.2 Các đại lượng đặc trưng

a Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình)

Nếu ta gọi:

V- Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình)A- Diện tích mặt cắt ngang;

h- Hành trình pittông;

VZL- Thể tích khoảng hở giữa hai răng; Z- Số răng của bánh răng

Ở hình 2.1, ta có thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình):

Hình 3.2 Sự thay đổi áp suất làm việc theo thời gian

c Hiệu suất

Hiệu suất của bơm hay động cơ dầu phụ thuộc vào các yếu tố sau

+/ Hiệu suất thể tích ηv

+/ Hiệu suất cơ và thủy lực ηhm

Như vậy hiệu suất toàn phần ηt =ηv.ηhm (3.3)

Ở hình 3.3, ta có:

Như vậy ta có công thức sau:

Hình 3.3 ảnh hưởng của hệ số tổn thất

đến hiệu suấtTrong đó:

NE, ME, ΩE- công suất, mômen

và vận tốc góc trên trục động cơnối với bơm;

NA, MA, ΩA - công suất, mômen

và vận tốc góc trên động cơ tải;

NA, F, v - công suất, lực và vận tốc pittông;

N, p, QV - công suất, áp suất và lưu lượng dòng chảy;

η txilanh- hiệu suất của xilanh;

η tMotor- hiệu suất của động cơ dầu;

η tb- hiệu suất của bơm dầu

3.1.3 Công thức tính toán động cơ dầu

a Lưu lượng Qv, số vòng quay n và thể tích dầu trong một vòng quay V

+/ Động cơ dầu:

v v

V n Q

η

3

10

Hình 3.4 Lưu lượng, số vòng quay, thể tích

b áp suất, mômen xoắn, thể tích dầu trong một vòng quay V

Theo định luật Pascal, ta có:

Hình 3.5 áp suất, thể tích, mômen xoắn

c Công suất, áp suất, lưu lượng

Công suất của bơm tính theo công thức tổng quát là: N = p.Qv (3.15)

+/ Công suất để truyền động bơm:

2

106

=

t V

Q P N

+/ Công suất truyền động động cơ dầu:

2

106

Một yếu tố gây mất mát năng lượng nữa là hiện tượng hỏng Hiện tượngnày thường xuất hiện, khi ống hút quá nhỏ hoặc dầu có độ nhớt cao

Khi bộ lọc đặt trên đường hút bị bẩn, cùng với sự tăng sức cản của dòngchảy,lưu lượng của bơm giảm dần, bơm làm việc ngày một ồn và cuối cùng tắchẳn Bởi vậy cần phải lưu ý trong lúc lắp ráp làm sao để ống hút to, ngắn và thẳng

3.1.4 Các loại động cơ dầu

a Bơm với lưu lượng cố định

+/ Bơm bánh răng ăn khớp ngoài;

+/ Bơm bánh răng ăn khớp trong;

+/ Bơm pittông hướng trục;

+/ Bơm trục vít;

+/ Bơm pittông dãy;

+/ Bơm cánh gạt kép;

+/ Bơm rôto

b.Bơm với lưu lượng thay đổi

+/ Bơm pittông hướng tâm;

+/ Bơm pittông hướng trục (truyền bằng đĩa nghiêng);

+/ Bơm pittông hướng trục (truyền bằng khớp cầu);

+/ Bơm cánh gạt đơn

3.1.5 Bơm bánh răng

a Nguyên lý làm việc

Hình 3.6 Nguyên lý làm việc của bơm bánh răngNguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích: khi thể tích củabuồng

hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và nén khi thể tích giảm, bơm đẩydầu ra ở buồng B, thực hiện chu kỳ nén Nếu như trên đường dầu bị đẩy ra ta đặtmột vật cản (ví dụ như van), dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụthuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm

b Phân loại

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễchế tạo Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suấtnhỏ trên các máy khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp, Phạm vi áp suất sử dụngcủa bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10 ữ 200bar (phụ thuộc vào độ chính xácchế tạo)

Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong,

có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chử V

Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn,nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn

3.4.2 Phân loại kích thước bộ lọc

3.4.3 Phân loại theo kết cấu