Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 1 trình bày những nội dung chính sau: Giới thiệu, lịch sử phát triển, phân loại các hệ thống công suất, nguyên lý truyền động thủy lực, ưu và nhược điểm của hệ thống thủy lực, ký hiệu thủy lực. Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1NÉN
LÊ THỂ TRUYỀN
Trang 3TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Tài liệu tham khảo
Jonh G Ashby, Prentice Hall, 1989.
Hiến Thành (trước cổng bệnh viện Trưng
vương)
Trang 4TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Đánh giá
Cấm thi
Cennitec
Trang 6Lịch sử phát triển
Nền tảng khoa học thủy lực hình thành cách đây 350
năm.
1647 Blaise Pascal công bố định luật cơ bản về thủy lực thủy tĩnh: áp suất chất lỏng ở trạng thái nghỉ được
truyền theo tất cả các hướng, bằng nhau tại mọi điểm.
1738 Bernoulli công bố tài liệu có tựa là:Hydrodynamica, trong đó ông công bố nhiều định luật về chất khí, chất lỏng.
Cennitec
Trang 7Lịch sử phát triển
Giữa thế kỷ thứ 19, truyền động thủy lực giữ vai trò quan 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.
Trước khi truyền động điện được ứng dụng rộng rãi thì truyền động thủy lực công suất có nhiều ưu thế so với các nguồn năng lượng khác tại London.
lực để vận hành rất nhiều bộ phận như các cầu trục để nâng các cổng thành ở Kensington và Mayfair.
Tuy nhiên, năng lượng điện trở nên rẻ và phổ biến, các nhà máy xí nghiệp và các thành phố dần giảm bớt sự
phụ thuộc vào năng lượng thủy lực.
Trang 8Lịch sử phát triển
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 9MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Dùng trong các xe cơ giới
Trang 10CennitecMỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Máy ép 40.000 tấn
Trang 11MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Hệ thống thủy lực mô phỏng chuyển động của buồng lái máy bay
Trang 12CennitecMỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Hệ thống thủy lực dùng trong xe phục vụ xây dựng
Trang 13MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Hệ thống thủy lực dùng trong xe khai thác rừng
Trang 14CennitecMỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC
Động cơ thủy lực của hãng Mercedec-benz
Trang 15Phân lọai các hệ thống công suất
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 16Chức 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 17Phân loại các hệ thống công suất trong kỹ thuật
Trang 18Hệ thống công suất cơ khí
Động cơ đốt trong Ly hợ
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 19Hệ thống công suất điện
T
ω
Động cơ đốt trong Tua bin thủy lực Tua bin khí
i
Truyền tải Lưu trữ Điều khiển
Năng lượng cơ khí
Năng lượng điện
Năng lượng cơ khí
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 20Truyền tải Lưu trữ Điều khiển
p Q
Xy lanh khí nén Động cơ khí nén
T
ω
Tải
Năng lượng nhiệt
Năng lượng điện
Năng lượng cơ khí
Trang 22Bơm 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 điện
Năng lượng gió
Năng lượng cơ khí
Năng lượng thủy lực
Năng lượng cơ khí
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 giatăng năng lượng áp suất của chất lỏng Các hệ thống này được sử dụng rộngrãi trong công nghiệp, thiết bị vận tải, hàng không, hành hải, và nhiều lãnhvực khác
Trang 23Hệ 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 Δt
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 24Hệ thống thủy lực công suất
Sau khoảng thời gian Δt, tải dịch chuyển quãng đường là y, thế năng của phần tải
Trang 25Hệ thống thủy lực công suất
Phần năng lượng E là thế năng có được trong khoảng thời gian Δt Năng lượng cung cấp cho tải trong một đơn vị thời gian chính là công suất N,
Trang 26Hệ thống thủy lực công suất
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
F = PA p -> P = F / A p
Trong khoảng thời gian Δt, xy lanh di chuyển một khoảng cách là y Thể tích dầu cần cung cấp cho xy lanh là V = A p y. Lưu lượng được định nghĩa là thểtích trong một đơn vị thời gian, như vậy
v
A t
y A t
Q PA Fv
Trang 27So 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
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
Chuyển động quay Chuyển động tịnh tiến
Trang 28NGUYÊN 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 29NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Trang 30NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Trang 31NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Chất lỏng di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp
Trang 32Lực nâng của kích sẽ tỉ lệ thuận với tỉ lệ giữa tiết diện hai xy lanh.
Trang 33NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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
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 34NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Cennitec
Áp suất cột chất lỏng
Áp suất P = wh
Trang 35NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Trang 36NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Trang 37NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Lưu lượng
Để tạo ra chuyển động cho một đối tượng, ngọai lực tác động lên đối tượng đó phải thắng được lực ma sát
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
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 38NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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 39NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
hoặc ma sát cản của thành ống có các đặc tính sau:
Tỉ lệ thuận với chiều dài và đường kính ống dẫn
Tỉ lệ thuận với lượng lưu chất đang chảy
Không phụ thuộc vào áp suất hệ thống
Không phụ thuộc vàp độ nhám của thành ống
Phụ thuộc vào độ nhớt của lưu chất (độ nhớt này
thay đổi theo nhiệt độ)
Trang 40NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Cennitec
Trang 41NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Mối quan hệ giữa độ mất áp và lưu lượng trong các ống dẫn có
đường kính khác nhau
Trang 42NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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 43NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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 44NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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 45NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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 46NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Tuy nhiên, các ống dẫn dùng trong các hệ thống thủy
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.
Thông thường, kích thước của ống dẫn tiêu chuẩn được chọn lớn hơn so với kết quả tính đã tính toán
Trong một vài trường hợp, kích thước của ống dẫn có 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 47NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
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
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 48Bể 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 49Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản
ΔP line1 = mất áp giữa bơm và van điều khiển hướng
ΔP van = mất áp qua 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 50Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản
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 51ƯU 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 52ƯU 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 53KÝ 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
KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC
4) Đường dầu điều khiển được dùng để truyền tín hiệu áp suất từ một điểm đếnđiểm 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 ápsuất điều khiển gọi là van một chiều có điều khiển Van một chiều có điềukhiển được biểu diễn bằng ký hiệu như sau
Free flow
Trang 55KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC
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 tươngứng
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 ôhình 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