Bài giảng truyền động thủy lực và khí nén

Bài giảng truyền động thủy lực và khí nén giới thiệu những kiến thức cơ bản nhất trong kỹ thuật thủy lực và khí nén, như các cơ sở vật lý và kỹ thuật của thủy lực và khí nén, các nguyên tắc cấu tạo và các tính chất hoạt động cơ bản của các phần tử cấu trúc như bơm dầu, máy nén khí, các van điều khiển, các động cơ và xy lanh lực.

Trang 1

NÉN

LÊ THỂ TRUYỀN

Trang 3

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

 Tài liệu tham khảo

 Power Hydraulic, Michael J Pinches and Jonh

G Ashby, Prentice Hall, 1989.

Trang 4

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

 Đánh giá

 Kiểm tra giữa kỳ + bài tập: 30%

 Kiểm tra cuối kỳ: 70%

 Cấm thi

 Không tham gia giờ thực hành.

 Vắng mặt trên 2 buổi học lý thuyết

Cennitec

Trang 6

Lịch sử phát triển

năm.

thủy tĩnh: áp suất chất lỏng ở trạng thái nghỉ được

truyền theo tất cả các hướng, bằng nhau tại mọi điểm.

trong đó ông công bố nhiều định luật về chất khí, chất lỏng.

Cennitec

Trang 7

trọng trong công nghiệp và trong đời sống xã hội Tại Anh,

ví dụ, rất nhiều thành phố trang bị hệ thống thủy lực trung tâm mà bơm được vận hành bằng động cơ hơi nước.

truyền động thủy lực công suất có nhiều ưu thế so với các nguồn năng lượng khác tại London.

 Tại London, Hydraulic Power Company dùng năng lượng thủy lực

để vận hành rất nhiều bộ phận như các cầu trục để nâng các

cổng thành ở Kensington và Mayfair.

nhà máy xí nghiệp và các thành phố dần giảm bớt sự phụ thuộc vào năng lượng thủy lực.

Trang 8

 Hệ thống thủy lực công suất vận hành với

áp suất cao được đưa vào sử dụng thực

tế vào năm 1925 khi Harry Vickers phát

triển thành công bơm cánh gạt.

 Ngày nay, thủy lực công suất áp suất cao được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực

kỹ thuật.

Cennitec

Trang 9

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC

Dùng trong các xe cơ giới

Trang 10

Máy ép 40.000 tấn

Trang 11

Hệ thống thủy lực mô phỏng chuyển động của buồng lái máy bay

Trang 12

Hệ thống thủy lực dùng trong xe phục vụ xây dựng

Trang 13

Hệ thống thủy lực dùng trong xe khai thác rừng

Trang 14

Động cơ thủy lực của hãng Mercedec-benz

Trang 15

Phân lọai các hệ thống công suất

 Các hệ thống công suất được dùng để truyền tải

và điều khiển công suất Chức năng này được mô

tả như trong hình 1.1 Các thành phần cơ bản của

hệ thống công suất:

– Nguồn năng lượng: cung cấp năng lượng cơ khí dưới

dạng chuyển động quay Động cơ điện và động cơ đốt trong là các thiết bị được dùng rộng rãi cho chức năng này Trong các ứng dụng đặt biệt, tua-bin gió hoặc tua- bin thủy lực cũng được sử dụng.

– Các thiết bị truyền tải năng lượng, biến đổi và điều

khiển.

– Tải (cơ khí) dưới dạng chuyển động quay hoặc tịnh

tiến.

Trang 16

Chức năng của hệ thống công suất

Công suất cơ khí

vào (ω, T)

Truyền công

suất Biến đổi Điều khiển

Công suất cơ khí đầu ra

Chuyển động quay

(ω, T)

Chuyển động tịnh

tiến (v, F)

Hình 1.1 Chức năng của hệ thống công suất

Trang 17

Phân loại các hệ thống công suất trong kỹ thuật

Trang 18

Hệ thống công suất cơ khí

Động cơ đốt trong Hộp số Cầu lái vi sai

8

Hình 1.3 Hệ thống lái xe ô tô

Hộp số (3) được nối với động cơ (1) nhờ bộ ly hợp (2) Trục vào của hộp số quay cùng vận tốc với động cơ Trục ra (4) của nó quay với vận tốc khác, phụ thuộc vào tỉ số truyền của hộp số Công suất được truyền đến bánh xe (8) nhờ khớp nối (5,) trục (6) và cầu lái vi sai (7).

Hệ thống công suất cơ khí dùng các phần tử cơ khí để truyền tải và điều khiển công suất

cơ khí Hệ thống lái của một số xe ô tô là một ví dụ về hệ thống công suất cơ khí (hình 1.3).

Ưu điểm: cấu trúc đơn giản, dễ bảo trì và dễ vận hành, giá thành thấp

Nhược điểm: tỉ lệ (công suât/trọng lượng) nhỏ, khoảng cách truyền bị giới hạn, độ linh hoạt

và khả năng điều khiển thấp

Trang 19

Hệ thống công suất điện

T

ω

Động cơ đốt trong Tua bin thủy lực Tua bin khí

Máy phát điện e

i

Truyền tải Lưu trữ Điều khiển

Năng lượng cơ khí

Năng lượng điện

Công

Hình 1.4 Sự biến đổi công suất trong hện thống công suất điện

Các hệ thống công suất điện chủ yếu giải quyết những tồn đọng trong các vấn

đề như là khoảng cách truyền công suất, độ linh hoạt và cải thiện khả năng điều khiển

Ưu điểm:

Khả năng truyền tải dài

Dễ dàng điều khiển

Trang 20

Truyền tải Lưu trữ Điều khiển

p Q

Xy lanh khí nén Động cơ khí nén

T

ω

Tải

Năng lượng nhiệt

Trang 21

Năng lượng khí nén được điều khiển thông qua tổ hợp các van điều chỉnh áp

suất, lưu lượng, và điều khiển hướng Khi đó, nó được chuyển sang năng lượng

cơ khí nhờ các xy lanh và động cơ khí nén

Trang 22

Bơm thủy lực p

Q

Truyền tải Điều khiển

p Q

Xy lanh thủy lực Động cơ thủy lực

T

ω

Tải

Năng lượng nhiệt

Năng lượng gió

Năng lượng thủy lực

Công

F

v

Hình 1.6 Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực công suất

Trong các hệ thống công suất thủy tĩnh, công suất được truyền tải nhờ sự gia tăng năng lượng áp suất của chất lỏng Các hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, thiết bị vận tải, hàng không, hành hải, và nhiều lãnh vực khác

Trang 23

Hệ thống thủy lực công suất

Ta xét một xe nâng hàng dùng để nâng tải theo phương thẳng đứng với hành

trình là y trong khoảng thời gian Δtt

Để thực hiện được chức năng này thì xe nâng phải tác động một lực lên tải theo phương thẳng đứng Nếu lực ma sát được bỏ qua, tại trạng thái ổn định, lực này

bằng trọng lượng của phần tải được dịch chuyển (F = mg)

Công sinh ra bởi xe nâng là

W = Fy

Trang 24

Sau khoảng thời gian Δtt, tải dịch chuyển quãng đường là y, thế năng của phần tải

Trang 25

Phần năng lượng E là thế năng có được trong khoảng thời gian Δtt Năng lượng cung cấp cho tải trong một đơn vị thời gian chính là công suất N,

Trang 26

Tải được nâng bởi một xy lanh thủy lực, xy lanh tác động lên tải

một lực là F và kéo nó với vận tốc là v Xy lanh sử dụng trong

trường hợp này là xy lanh tác động đơn, nó đi ra nhờ tác động

của áp suất và trở về nhờ tải trọng của tải Dầu được cấp vào

xy lanh với lưu lượng là Q (m/s3) với áp suất là P Bỏ qua lực

ma sát bên trong xy lanh, áp suất cần để nâng tải là

y A t

Q PA Fv

Trang 27

So sánh các hệ truyền công suất

Năng lượng vào

Động cơ đốt trong Tua-bin (thủy/khí)

Động cơ đốt trong Động cơ điện Bình áp suất

Động cơ đốt trong Động cơ điện Tua-bin khí Các bộ phận cơ khí

Cánh tay đòn Trục, bánh răng

Dây dẫn điện

Từ trường

Ống dẫn Khớp nối

Các thành phần rắn

và dẻo Dòng electron Khí Chất lỏng

Thấp Trung bình Rất cao Rất cao

Thấp Trung bình Cao Rất cao

Cao Thấp Trung bình Rất cao

Trung bình Rất cao Trung bình Cao Rất thấp Rất thấp Trung bình Trung bình

Rất thấp Thấp Cao Rất cao Rất thấp Rất cao Cao Cao Chuyển động quay

(phần lớn)

Chuyển động quay (phần lớn)

Chuyển động quay Chuyển động tịnh tiến

Trang 28

NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

Áp suất là lực tác động trên một đơn vị diện tích, nghĩa là

Áp suất = Lực/Diện tích

Định luật Pascal về chất lỏng được trình bày như sau:

Bỏ qua ảnh hưởng của khối lượng của khối chất lỏng, áp suất sẽ bằng nhau tại mọi điểm bên trong chất lỏng khi khối chất lỏng ở trạng thái nghỉ.

Áp suất tĩnh tác động giống nhau lên tất cả các hướng trong cùng thời điểm

Áp suất này tác động vuông góc lên các mặt phẳng tiếp xúc với chất lỏng.

Áp suất

Trang 29

Trang 30

Trang 31

Chất lỏng di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp

Trang 32

7 Xy lanh đẩy 8 Xy lanh ép

Lực nâng của kích sẽ tỉ lệ thuận với tỉ lệ giữa tiết diện hai xy lanh

Trang 33

Áp suất cột chất lỏng

Cột chất lỏng tạo ra áp suất tại đáy của nó bởi do trọng luợng của nó, áp suất này sẽ tăng khi chiều cao cột chất lỏng tăng Chúng ta xem xét áp suất

tại đáy của cột chất lỏng có tiết diện là A và có chiều cao là h Giả sử khối lượng cho một đơn vị thể tích là w.

Khối lượng cột chất lỏng = Thể tích x khối lượng riêng = (Ah) x w

Áp suất = Trọng lượng / Diện tích = Ahw / A = wh

Trang 34

Cennitec

Áp suất cột chất lỏng

Áp suất P = wh

Trang 35

Ví dụ 1.1

Cửa vào của 1 bơm thủy lực nằm dưới mặt thoáng của dầu một khoảng là 0.6 m

tại cửa vào của bơm.

Trang 36

Cennitec

Áp suất P = wh

Áp suất tại cửa vào của bơm = 860 x 0.6 (kg/m2)

= 516 (kg/m2) = 0.0516 (kg/cm2) = 0.0516 x 0.981 (bar) = 0.0506 (bar)

Chú ý: 1 kg/cm2 = 0.981 bar

Trang 37

Lưu lượng

 Trong mọi hệ thống ma sát luôn ngược hướng chuyển động

Để tạo ra chuyển động cho một đối tượng, ngọai lực tác động lên đối tượng đó phải thắng được lực ma sát

 Điều này cũng tồn tại trong dòng chảy của lưu chất Trong

ống dẫn chứa lưu chất, cần phải có sự chênh lệch áp suất giữa các đầu ống để tạo nên dòng chảy và chất lỏng di

chuyển từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp

 Độ chênh lệch áp suất càng cao thì lưu lượng càng lớn Như vậy, khi có sự chênh áp suất thì sẽ có dòng chảy và ngược lại, khi có dòng chảy thì có sự chênh lệch về áp suất.

Trang 38

 Ở vận tốc thấp, dòng chảy trong ống tồn tại dưới dạng dòng chảy tầng, tất cả các phần tử di chuyển cùng một hướng

 Khi vận tốc của dòng chảy vượt qua một giá trị đủ lớn, dòng chảy chuyển sang

dạng chảy rối mà trong đó các phần tử

của lưu chất không phải di chuyển theo

cùng một hướng, mà mang tính ngẫu

nhiên.

Cennitec

Trang 39

 Đối với dòng chảy tầng, độ chênh lệch áp suất hoặc ma sát cản của thành ống có các đặc tính sau:

thay đổi theo nhiệt độ)

Trang 40

 Đối với dòng chảy rối, độ chênh lệch áp suất

 Không phụ thuộc vào áp suất hệ thống

 Phụ thuộc vào độ nhám của thành ống

 Không phụ thuộc vào độ nhớt của lưu chất

Cennitec

Trang 41

Mối quan hệ giữa độ mất áp và lưu lượng trong các ống dẫn có

đường kính khác nhau

Trang 42

 Để hiệu suất của hệ thống thủy lực đạt ở mức cao nhất kích thước của các ống dẫn phải chọn sao cho có được dạng chảy

Trang 43

Ví dụ 1.2

 Tính kích thước của ống hút và ống đẩy của bơm có lưu lượng là 40 l/min, vận tốc lớn nhất của dòng chảy trong ống hút là

1.2 m/s và trong ống đẩy là 3.5 m/s.

Trang 44

Ống hút

 Lưu lượng = Vận tốc trung bình x Tiết diện dòng chảy

 Tiết diện ống = Lưu lượng trong ống / Vận tốc dòng chảy

 Lưu lượng = 40 (l/min)

Trang 45

Ống đẩy

 Đừờng kính cần thiết cho ống đẩy cũng

được tính tương tự như ống hút đã trình bày phần trên

 Với vận tốc dòng chảy trong ống đẩy lớn nhất là 3.5 m/s thì đường kính trong nhỏ nhất của ống đẩy phải là 15.6 mm.

Trang 46

lực được sản xuất theo tiêu chuẩn Do vậy, các kết quả tính toán chỉ là cơ sở để dựa vào đó chúng ta chọn các ống dẫn có kích thước tiêu chuẩn phù hợp với yêu cầu.

chọn lớn hơn so với kết quả tính đã tính toán

thể chọn nhỏ hơn kết quả đã tính toán Khi đó, việc tính toán lại các thông số dòng chảy để kiểm tra các thông số

đó có nằm trong vùng cho phép hay không là cần thiết.

Cennitec

Trang 47

 Ví dụ, ống dẫn được sản xuất theo tiêu chuẩn có đường kính ngòai là

20 mm và chiều dày của thành ống là 2.5 mm được chọn cho ống đẩy ở ứng dụng trên Sở dĩ ta chọn ống này để làm ống đẩy là vì đường kính trong của nó là 15 mm, xấp xỉ với kết quả đã tính tóan ở trên là 15.6 mm Quá trình tính toán ngược để kiểm tra lại như sau:

 Vận tốc dòng chảy = Lưu lượng trong ống / Tiết diện ống

 Tiết diện ống là = (π/4) x 15 2 mm 2 = 177 mm 2

= 177 x 10 -6 m 2

 Vận tốc dòng chảy = (40 x 10 -3 ) / (60 x 177 x 10 -6 ) (m 3 /sm 2 ) = 3.77 m/s

 Như vậy, nếu dùng ống đã chọn thì vận tốc dòng chảy trong ống này

là 3.77 m/s, cao hơn một ít so với yêu cầu ban đầu là 3.5 m/s Tuy nhiên, nếu so sánh với vùng vận tốc của dòng chảy trong các ống dẫn

có áp để có dòng chảy tầng là 2.1 - 4.6 m/s thì giá trị này là thỏa mãn.

Trang 48

Bể chứa dầu

Bơm: cung cấp lưu lượng cho hệ thống Bơm

trong hình là bơm có thể tích riêng cố định, nghĩa

là nó đều cung cấp một lưu lượng cố định sau

mỗi vòng quay

Van giới hạn áp suất (relief valve): có nhiệm vụ

bảo vệ hệ thống Nếu áp suất hệ thống tăng đến

ngưỡng đã qui định (bởi van) thì van mở cho

phép lưu lượng dư trở về bể chứa dầu

Van điều khiển hướng: có nhiệm vụ điều khiển

lưu chất đến vị trí mong muốn

Xy lanh: có nhiệm vụ chuyển năng lượng thủy lực

thành năng lượng cơ

Trang 49

Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản

ΔP line1 = mất áp giữa bơm và van điều khiển hướng

ΔP line2 = mất áp giữa van điều khiển hướng và xy lanh

ΔP line3 = mất áp giữa buồng còn lại của xy lanh và van

điều khiển hướng

ΔP line 4 = mất áp giữa van điều khiển hướng và bể dầu

Hiệu suất xy lanh là 0.9

Tải W = 22 250 N

Giả sử xy lanh có đường kính piston là D = 100 mm, và

ti là d = 70 mm Diện tích piston xy lanh là:

Trang 50

Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản

ΔP line1 = 3 bar ΔP line3 = 1.5 bar

ΔP line2 = 1 bar

Trong thời gian xy lanh đi ra, áp suất tại buồng chứa ti là

P r = ΔP line3 + ΔP van + ΔP line4

Áp suất tại bơm phải là:

P = P c + ΔP line2 + ΔP van + ΔP line1

Trang 51

ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC

Các ưu điểm chính của hệ thống thủy lực:

-Tỉ số công suất-tỉ trọng cao

-Tự bôi trơn

-Không có hiện tượng bão hòa trong hệ thống thủy lực như trong các hệ

thống điện Mô-men của các động cơ điện tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, nhưng nó bị giới hạn bởi hiện tượng bão hòa từ trường

-Tỉ số lực/khối lượng và mô-men/quán tính cao, điều đó dẫn đến khả năng đạt gia tốc cao và đáp ứng nhanh của các động cơ thủy lực

-Độ cứng của xy lanh thủy lực cao, điều đó cho phép dừng tải đột ngột tại các vị trí bất kỳ

-Dễ dàng bảo vệ khi hệ thống quá tải

-Có khả năng tích trữ năng lượng trong các bình tích áp thủy lực

-Độ linh hoạt cao hơn so với các hệ thống cơ khí

-Ứng dụng được cho cả chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

-An toàn, không gây nguy cơ cháy nổ

Trang 52

ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC

Các nhược điểm của hệ thống thủy lực:

-Nguồn thủy lực không có sẵn mọi nơi, không giống như điện

-Giá thành cao vì các thiết bị thủy lực cần độ chính xác cao

-Nhiệt độ làm việc bị giới hạn giữa hai giá trị nhỏ nhất và lớn nhất

-Cần phải có hệ thống lọc dầu

Trang 53

KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC

1) Ký hiệu mũi tên cắt ngang một thành phần chỉ rằng thành phần đó là

điều chỉnh được

2) Đường thẳng nét liền biểu diễn đường dẫn dầu Nó không chỉ ra bất

cứ thông tin nào về áp suất trong ống dẫn Ống dẫn có thể là ống hút,

ống đẩy hoặc ống hồi dầu về chứa

3) Đường dầu rò, trong các hệ thống truyền động thủy lực nó có vai trò

dẫn lượng dầu bị rò rỉ ra bên ngòai của các thành phần thủy lực như

van, bơm…về bể chứa dầu, được biểu diễn bằng đường nét đứt

Trang 54

4) Đường dầu điều khiển được dùng để truyền tín hiệu áp suất từ một điểm đến điểm khác với lưu lượng nhỏ nhất được biểu diễn bằng đường nét đứt dài

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

5) Van một chiều có chức năng chỉ cho phép lưu chất đi theo 1 hướng Nó gồm

1 bi cầu và 1 lò xo Van một chiều được biểu diễn bằng ký hiệu sau

Free flow

7) Van một chiều mà nó có thể mở cho dầu đi theo hướng bị cấm nhờ 1 áp suất điều khiển gọi là van một chiều có điều khiển Van một chiều có điều khiển được biểu diễn bằng ký hiệu như sau

Free flow

Trang 55

8) Van điều khiển hướng đi của lưu chất được biểu diễn bằng các hình chữ nhật Van có bao nhiêu vị trí thì được biểu diễn bằng bấy nhiêu hình chữ nhật tương ứng

Van hai vị trí Van ba vị trí

9) Các van điều khiển áp suất có thể phân thành hai lọai: lọai van thường đóng

và lọai van thường mở Để biểu diễn một van điều khiển áp suất ta dùng 1 ô hình chữ nhật với đường dẫn đi qua nó

Lò xo điều chỉnh được

Đường dầu điều khiển

Van thường đóng

Lò xo điều chỉnh được

Đường dầu điều khiển

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	3,24 MB