Đề cương bài giảng Mô đun: Điều khiển khí nén, thủy lực

Những nội dung chính trong giáo trình gồm có: Tổng quan về hệ thống thủy lực, khí nén; các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén; phương pháp điều khiển theo nhịp; phương pháp điều khiển theo tầng hệ thống thủy lực, khí nén; phương pháp điều khiển theo tầng trong hệ thống điện khí nén; ứng dụng PLC trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén; thiết kế, vận hành các mạch khí nén, thủy lực ứng dụng.

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

GIÁO VIÊN: BÙI QUANG HÒA

TP.HCM 3/2018

BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỦY LỰC, KHÍ NÉN

1.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN:

Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động; Trong công nghiệp gia công cơ khí; trong công nghiệp khai thác khoáng sản…

• Các dạng truyền động sử dụng khí nén:

+ Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm… + Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa

và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dưới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vòng/phút Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện

1.2 NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

+ Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải

ra ngược trở lại bầu khí quyển

+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn

+ Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẳn đường dẫn khí nén

+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp

+ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt

+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp

1.2.2 Nhược điểm :

+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp

+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn (Không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều)

+ Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn

1.3 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN:

1.3.1 Áp suất:

Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal

1 Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2

với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N)

1 Pascal (Pa) =1 N/m2

1 Pa = 1 kg m/s2/m2 = 1kg/ms2Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa)

1 MPa = 1.000.000Pa Ngoài ra còn dùng đơn vị bar: 1 bar = 105

Ngoài ra một số nước (Anh, Mỹ) còn sử dụng đơn vị đo áp suất:

Pound (0,45336kg) per square inch (6,4521 cm2)

Kí hiệu lbf/in2 (psi)

F lực tác dụng vuông góc với bề mặt Piston [N]

Trong hình vẽ, các diện tích A1 , A2 khác nhau (A2 = A1 –A3), A3 là diện tích tiết diện của cần piston, nên các lực tác dụng cũng khác nhau tại cùng một nguồn khí nén có áp suất P

F1 = P.A1; F2 = P.A2 F1 > F2

1.3.4 Tốc độ truyền động của xy lanh:

Khi tải trọng của truyền động không đổi, tốc độ truyền động đƣợc xác định theo quan hệ:

Khi Q[m3/s]; A[m2] thì v[m/s], như vậy, trong trường hợp dung tích hành trình của cơ cấu chấp hành và tải trọng không đổi, tốc độ truyền động tỷ lệ với lưu lượng Q

Trong kỹ thuật khí nén, người ta dùng các van tiết lưu ( điều tiết lưu lượng)

để khống chế tốc độ của các cơ cấu chấp hành

1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ:

1.4.1 Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và

nhiệt độ Khi áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối

 Đẳng áp : V/T = const

 Đẳng tích : P/T = const

 Đẳng nhiệt : P.V = const

1.4.2 Định luật Boyle: Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí

luôn là hằng số nếu nhiệt độ của khí không thay đổi

1.4.3 Định luật Pascal: Áp suất tác dụng lên dòng chảy sẽ được chuyền đi

theo mọi hướng với lực bằng nhau

Với A là diện tích bề mặt tác dụng, P là áp suất và F là lực tạo ra

Lực tạo ra ở piston khí nén

1.5 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG KHÍ NÉN:

Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bi:

- Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết

bị xử lý khí nén( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…),…

- Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành

- Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén, giác hút…

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén

 Một số ứng dụng của khí nén:

1.6 MÁY NÉN KHÍ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG:

Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó năng lượng cơ học của động

cơ điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén

và nhiệt năng

1.6 1 Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí:

a/ Nguyên tắc hoạt động:

 Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó

thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại Như vậy theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này, ví

dụ như máy nén khí kiểu pittông, bánh răng, cánh gạt

 Nguyên lý động năng : không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp

suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý

này, ví dụ như máy nén kiểu li tâm

b/ Phân loại:

- Theo áp suất:

* Máy nén khí áp suất thấp p < 15 bar

* Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar

* Máy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 bar

- Theo nguyên lý hoạt động:

* Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích:

Máy nén khí kiểu pít - tông, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

* Máy nén khí tua - bin:

Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục

1.6 2 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittông :

Đây là dạng cơ bản nhất của các loại máy nén khí Việc nén khí thực hiện bằng cách hút khí vào và nén thể tích khí nằm giữa piston và vỏ xy lanh

Máy nén khí piston một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 m3/phút và

áp suất nén là 6 bar, có thể trong một số trường hợp thì áp suất có thể lên 10 bar Máy nén khí piston hai cấp có thể nén đến áp suất 15 bar, loại máy nén khí piston ba, bốn cấp có thể nén đến áp suất 250 bar

Hình 1.2 Nguyên lý máy nén khí kiểu pittông

Hình 1.3 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittông

 Bình chứa khí:

- Để chứa khí nén

- Để làm giảm sự dao động áp suất

- Nơi ngưng tụ hơi nước giúp cho khí nén cung cấp cho hệ thống được khô ráo

* Một số máy nén khí kiểu pittôngđược sử dụng trong thực tế:

Hình 1.4 Các dạng máy nén khí kiểu pittông

1.6.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt:

Máy nén khí cánh gạt sử dụng rotor lệch tâm với các cánh gạt có thể trượt

theo hướng hướng tâm để nén khí Không khí đi vào buồng tạo bởi cánh gạt, rotor và vỏ máy nén khí, thể tích buồng này được nới rộng ra và hình thành thể tích buồng là lớn nhất Khi các cánh gạt quay tiến đến cửa ra, khí sẽ được nén lại

vì thể tích buồng chứa ngày càng nhỏ

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của MNK kiểu cánh gạt

1.6.4 Máy nén khí kiểu trục vít:

Máy nén khí trục vít vận hành với 2 rotor xoắn ốc ăn khớp với nhau Khi rotor bên trái quay theo chiều kim đồng hồ, thì rotor bên phải sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Khi các rotor này quay thì sẽ cưỡng bức khí bên trong các buồng được nén lại với nhau theo hướng dọc trục Như vậy khí vào một cổng và

ra cổng đối diện theo hướng dọc trục

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu trục vít

1.7 THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa đựng nhiều chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm của không khí, những phần tử nhỏ của dầu bôi trơn và truyền động

cơ khí Ngoài ra trong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, có thể gây nên

quá trình oxy hoá một số phần tử được kể trên Như vậy, khí nén chứa đựng những chất bẩn đó được tải đi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự mài mòn,

gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển Do đó khí nén cần

phải được xử lý, tuỳ thuộc vào mức độ xử lý, phương pháp xử lý để xác định

được chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp vận dụng cụ thể 1.7.1 Các cấp độ xử lý khí nén :

Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh như sau: khí nén từ máy nén khí sẽ qua bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí Tại đây dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ

Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí – chất làm lạnh Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách: dòng khí nén

sẽ được đổi chiều trong những ống dẫn nằm trong thiết bị này Nhiệt độ hoá sương tại đây là +20C Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được tạo thành từng giọt nhỏ một

Hình 1.9 Sấy khô bằng chất làm lạnh

 Thiết bị sấy khô bằng hấp thụ:

Sấy khô bằng hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay là quá trình hoá học

 Quá trình vật lý: chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ

lượng hơi nước ở trong không khí ẩm ở trong hai bình sấy khô

Hình 1.10 Sấy khô bằng hấp thụ vật lý

Đối với những hệ thống như thế, nhất thiết phải dùng bộ lọc, gồm 3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu

Bộ lọc khí nén

Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén Có hai nguyên lý thực hiện:

- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc

- Phần tử lọc xốp làm bằng các chất như: vải dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loại thêu kết hay là vật liệu tổng hợp Khí nén sẽ tạo chuyển động xoáy khi

qua lá xoắn kim loại, sau đó qua phần tử lọc, tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn loại phần tử lọc có những loại từ 5 m đến 70 m Trong trường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu phần tử lọc được chọn là sợi thủy tinh có khả năng tách nước trong khí nén đến 99 Những phần tử lọc như vậy thì dòng khí nén sẽ chuyển động từ trong ra ngoài

Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của van lọc và ký hiệu

Hình 1.13 Phần tử lọc

Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi

có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự dao động của áp suất đường vào

Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suất và ký hiệu

Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất (hình 2.15): khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua l thông tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua l xả khí ra ngoài Đến khi

áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về

vị trí ban đầu

Để giảm lực ma sát, sự ăn mòn và sự rỉ sét của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén, trong thiết bị lọc có thêm van tra dầu Nguyên tắc tra dầu được thực hiện theo nguyên lý Ventury: (hình 1.15)

Hình 1.15 Nguyên lý tra dầu ventury

Theo hình : điều kiện để dầu có thể qua ống Ventury là độ sụt áp p phải lớn hơn áp suất cột dầu H Phạm vi tra dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có lưu lượng của khí nén

1.8 THIẾT BỊ PHÂN PHỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

1 8.1 Khái quát chung:

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ vận chuyển không khí nén

từ máy nén khí đến thiết bị sử dụng Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén Ở đây hệ thống đường ống dẫn được lắp cố định

Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất P, lưu lượng Q và chất lượng của không khí nén cho thiết bị tiêu thụ

Việc lựa chọn tiết diện ống dẫn cũng như cách bố trí mạng khí nén cần phải được chú trọng để đảm bảo tính kinh tế cũng như yêu cầu sử dụng Yêu cầu tổn thất áp suất của hệ thống không đựơc lớn hơn 1par, cụ thể là

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính 0,1 par

- Tổn thất áp suất trong ống nối 0,1 par

- Tổn thất áp suất trong thiết bị sử

lý khí nén (tách nước, bình ngưng…) 0,1 par

- Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc 0,6 par

Hình 1.16 Sơ đồ nguồn cung cấp

Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp trong không gian thoáng, để thực hiện được nhiệm vụ như vừa nêu trên là ngưng tụ và tách nước trong khí nén

Hình 1.17 Các loại bình trích chứa

a Loại bình trích chứa th ng đứng

b Loại bình trích chứa nằm ngang

c Loại bình trích chứa nhỏ ng n trực tiếp vào ống dẫn khí

Khi l p đ t và thiết kế mạng khí nén cần ph i quan tâm các thông số sau:

- Lưu lư ng: Phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, vận tốc dòng chảy càng lớn

- Tổn thất áp suất: Tổn thất trên đường ống cho phép là 0.1 và nó cho

phép sai số 5 áp suất yêu cầu Nếu trong hệ thống có lắp các cút nối thì tổn

thất sẽ tăng lên Để xác định tổn thất của cút nối, van ta tra theo bảng sau (b ng 3.1):

ng 1.1: Hệ số cản  của phụ tùng nối tính theo chiều dài ống dẫn

Trong thực tế để xác định các thông số cho mạng đường ống lắp ráp cố

định người ta dùng biểu đồ sau (Hình 1.9):

Hình 1.18 iểu đồ sự phụ thuộc các thông số của đư ng ống cố định

í dụ: - Áp suất yêu cầu p = 8 bar

- Chiều dài ống dẫn L = 200 m

- Lưu lượng qv = 170 lít/s

- Tổn thất áp suất cho phép p = 0.1 bar

Theo biểu đồ ta có đư ng kính trong của ống là:  70 mm

- Đường ống thường được lắp nghiêng một góc 10 đến 20 so với mặt phẳng ngang và lắp bình ngưng tụ để nước trong đường ống tích tụ tại đó

Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xylanh) hoặc

chuyển động quay (động cơ khí nén)

1.9.1 Xilanh:

Xilanh tác động đơn chỉ được cung cấp khí nén từ một phía do đó chỉ tạo

ra hành trình làm việc theo một chiều Hành trình ngược lại của Piston được thực hiện bởi lò xo Việc xác định kích cỡ lò xo tùy thuộc kiểu có thể đưa Piston

đi (hay về) vị trí khởi động một cách nhanh chóng

Hình 1.20 Cấu tạo xilanh tác động đơn (loại pittong)

Trong xi lanh có lò xo hồi vị, hành trình của Pittong là một hàm theo chiều dài của lò xo Thông thường hành trình này không quá 100 mm

Loại này được sử dụng cho các công việc đơn giản: đẩy vào, đẩy ra, nâng lên, đưa chi tiết vào, cung cấp chuyển động

Độ kín khít được bảo đảm bởi vật liệu nhựa d o hoặc vật liệu mềm được lắp vào trong một Piston kim loại Chuyển động ở mép Pittong là chuyển động trượt kín trong bề mặt trụ của xi lanh

Thứ hai là loại xi lanh mà lò xo thực hiện hành trình làm việc, còn khí nén thực hiện hành trình ngược lại Thường trong trường hợp này người ta sử dụng

khí nén để dừng, hãm (xe t i, xe con, toa xe) để bảo đảm sự chắc chắn phanh

hãm

Xilanh kiểu màng

Màng có thể là cao su, nhựa d o hay cũng có thể bằng kim loại, đảm nhận vai trò của Pittong Cần Pittong được cố định ở trung tâm của màng, không có đệm kín Hành trình về được thực hiện bởi tính đàn hồi của vật liệu màng

Hình 1.21 Xilanh tác động đơn (loại màng)

Hành trình đi và về của Pittong đều có tác động bởi khí nén Sử dụng trong trường hợp đòi hỏi phải có chuyển động hai chiều có điều khiển Độ kín giữa xi lanh và Pittong được bảo đảm nhờ có các đệm ở mép Pittong hoặc của màng

Hình 1.22 Xi lanh tác động kép (loại không có gi m chấn)

Hình 1.23 Xilanh tác động kép có gi m chấn hai đầu

Khí được tích chứa trong phần cuối buồng chứa của xi lanh sau m i lần nén Lúc bấy giờ áp suất dư phát sinh sẽ thoát qua van tiết lưu và hiệu ứng giảm

chấn bắt đầu xảy ra (do ph i đi qua tiết diện h p) Sự nén này của khí qua đường

tiết lưu bổ sung thêm cho việc hấp thụ một phần năng lượng, Piston hãm chuyển động và đi tới chậm dần cho tới cuối hành trình ở hành trình ngược lại tiếp theo sau thì vì tiết lưu là một chiều nên Pittong chuyển động không bị hãm

Ngoài ra c n có các kiểu gi m chấn khác:

- Giảm chấn không điều chỉnh được, ở hai phía

- Giảm chấn không điều chỉnh được, ở một phía

- Giảm chấn điều chỉnh được, ở một phía của Piston

+ Xi lanh kép nối nhau

Hình 1.24 Xi lanh kép nối nhau (tandem)

Với xi lanh này có lực tác động lên cán Piston là lực tổng của cả 2 xi lanh

+ Xi lanh kép hai đầu đ n

Hình 1.25 Xi lanh kép hai đầu đ n, có gi m chấn hai đầu, điều chỉnh đư c + Xi lanh bước (nhiều vị trí)

- Xi lanh bước này tạo ra được nhiều vị trí dịch chuyển Cấu tạo bao gồm 2

xi lanh kép nối với nhau Bằng cách cấp khí vào các cửa mà ta co các vị trí khác nhau của Piston

một loại xi lanh có thể sinh ra lực lớn,

đó là xi lanh va đập Loại này tăng vận

Hình 1.27 Xi lanh va đập.

tốc của Piston lên cao khoảng 7,5 m/s đến 10,5 m/s (hình 3.45)

- Khi khí nén được cấp vào khoang A nó sẽ tác dụng lên diện tích Piston C làm cho Piston dịch chuyển theo chiều Z Khi Piston dịch chuyển van C mở ra

và khí nén tác dụng vào toàn bộ đỉnh Piston sinh ra lực lớn

+Xi lanh quay

- Nguyên lý tạo chuyển động quay nhờ bánh răng thanh răng, góc quay có thể là: 900

; 1800; 3600 Thông thường nó được dùng để dẫn động các đĩa hút chân

không kẹp giữ chi tiết hoặc hút chi tiết

Hình 1.28 Xi lanh quay

+Xi băng đai

- Loại này sử dụng băng đai và bàn trượt, thông qua chuyển động của Piston sẽ kéo băng đai làm cho bàn trượt chuyển động qua lại Một số xi lanh loại này có thể phanh tại một vị trí nhất định nào đó nhờ cơ cấu phanh

Xilanh băng đai (xilanh trư t)

Hình 1.29 Cấu tạo xi lanh băng đai

Động cơ khí nén chuyển đổi năng lƣợng khí nén thành chuyển động quay

cơ học, có thể thực hiện một chuyển động quay không hạn chế góc quay và đƣợc

sử dụng nhƣ một thiết bị khí nén

Động cơ khí nén có những ƣu điểm:

- Điều chỉnh đơn giản mômen quay và số vòng quay

- Đạt đƣợc số vòng quay cao và điều chỉnh vô cấp

- Không xảy ra hƣ hỏng, khi có tải trọng quá tải

- Giá thành bảo dƣỡng thấp

Tuy nhiên, động cơ khí nén cũng có nhƣợc điểm:

- Giá thành cao (khoảng 10 lần so với động cơ điện)

- Số vòng quay phụ thuộc vào tải trọng

- Xảy ra tiếng ồn lớn khi xả khí

Có tốc độ quay lớn nhất khoảng 5000 v/ph Đối với kiểu động cơ này, cặp ngẫu lực quay phát sinh khi áp suất của khí nén tác động trên bề mặt của hai

bánh răng ăn khớp nhau Bánh răng dẫn được bắt chặt với trục động cơ Động cơ

bánh răng cho phép đạt công suất khá cao, tới 44 kW (60 hp)

Hình 1.31 ộng cơ khí nén kiểu bánh răng

- ộng cơ bánh răng răng th ng: Mô men quay được tạo ra bởi áp suất khí

nén lên mặt bên răng, ống thải khí được thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng

ồn

- ộng cơ bánh răng răng nghiêng: Nguyên lí hoạt động như động cơ bánh

răng thẳng, điểm chú ý là ổ lăn phải chọn để khử được lực hướng trục và lực dọc trục

- ộng cơ bánh răng chữ : Có ưu điểm là giảm được tiếng ồn

Khí nén dẫn động các cơ cấu trung gian của những Pittông nhờ chuyển động qua lại của Pittông Cơ cấu trung gian là một thanh truyền và trục khuỷu Cần có nhiều xi lanh để đảm bảo một hành trình không thay đổi Công suất của động cơ phụ thuộc vào áp suất cung cấp từ bên ngoài, phụ thuộc vào các bề mặt làm việc, các khoảng chạy và vận tốc của các Pittông thông thường 1,5 đến

19kW (2 đến 25 hp)

Hình 1.32 ộng cơ khí nén kiểu Pittông

c

Do cấu trúc và trọng lượng nhỏ

gọn nên động cơ kiểu cánh gạt được

dùng nhiều trong các thiết bị cầm tay

(hand tools)

Không khí nén được dẫn vào

động cơ qua đường vào, dưới tác

động của áp suất sẽ tác động lên các

cánh làm cho roto quay Khí nén sau

khi sinh công được thải tại đường ra

Hình 1.33 ộng cơ cánh gạt

Để động cơ có thể khởi động được, cánh gạt phải ép sát vào thành roto nên một số động cơ có thiết kế thêm lò xo đẩy để cánh gạt tiếp xúc tốt với vách Tốc độ roto khoảng từ 3000 đến 8500 v/ph và công suất từ 0,1 đến 17 kW (0,14 đến 24 hp)

ụ ví

Hai trục quay của động cơ trục vít có bánh răng ăn khớp với nhau, số răng của trục lồi ít hơn số răng của trục vít lõm từ 1-2 răng Để 2 trục vít quay ăn khớp với nhau là hai trục phải quay đồng bộ

e

Động cơ tuabin hoạt động theo

nguyên lý chuyển đổi động năng của

dòng khí nén qua vòi phun thành năng

lượng cơ học Tốc độ của loại động cơ

này rất cao, nhiều khi lên đến 500000

v/ph

Tùy theo hướng của dòng khí đi

vào động cơ mà đó được phân thành

các loại: ộng cơ hướng trục, dọc

trục, tiếp tuyến

2 TỔNG QUAN VỀ HỀ THỐNG THỦY LỰC

Hệ thống thuỷ lực (Hydraulic systems) được sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy hiện đại và trong công nghiệp lắp ráp Ngoài ra, công nghệ thuỷ lực còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực đặc biệt khác như hàng hải, khai thác hầm

mỏ, hàng không…

Trong hệ thống thuỷ lực, chất lỏng có áp suất đóng vai trò trung gian truyền lực và chuyển động cho máy công nghệ Quá trình biến đổi và truyền tải năng lượng được mô tả trên hình

Hình 7.1 Quá trình biến đổi và truyền t i năng lư ng hệ thống thủy lực

 Các ứng dụng cơ bản của thuỷ lực có thể chia thành hai lĩnh vực chính:

- Thiết bị thuỷ lực tự hành (Mobile hydraulics): di chuyển bằng bánh xe hoặc đường ray Phần lớn trong số này có đặc trưng là thường sử dụng các van được điều khiển bằng tay

- Thiết bị thuỷ lực cố định (stationary hydraulics): làm việc ở một vị trí cố định,

do đó thường sử dụng các van điện từ kết hợp với các thiết bị điều khiển điện- điện tử

Hình 1.34 ộng cơ tuabin.

 Một vài ứng dụng trong thực tế:

M y ủy ự

Bằng việc sử dụng thủy lực ta có thể tạo ra một lực ép lớn và chính xác

Hệ thống phức tạp và các thiết bị điều khiển sử dụng trong hệ thống này có

độ an toàn cao và tương đối hoàn hảo

M y ự

Loại máy gia công này tương đối điển hình với các bước gia công riêng biệt thực hiện trong khoảng thời gian rất ngắn (ms) Nhìn chung, những bước này bao gồm: Làm kín khít khuôn, bơm nhựa, duy trì lực ép và mở khuôn Các thông số như áp suất gia công, thời gian gia công, vận tốcphải đạt được độ chính xác cao trong m i bước

M y xây ự

Thủy lực thì được sử dụng để di chuyển cũng như nâng, hạ, kẹp giữ, và dịch chuyển…trong các máy xây dựng

M y â vậ y

Máy nâng và vận chuyển thường được dùng để di chuyển các hàng hóa

có khối lượng lớn hệ thống thủy lực là các thành phần chủ yếu trong các loại máy này để nâng, dịch chuyểnhàng hóa với chuyển động thẳng

M y ệ

Hệ thống thủy lực trong các máy kéo nông nghiệp để điều khiển di chuyển máng và các chuyển động khác Hệ thống thủy lực cũng được sử dụng trong các máy gặt để điều khiển chuyển động của các phần trên máy

 Một vài hình ảnh ứng dụng của hệ thống thủy lực:

 So sánh công nghệ thuỷ lực với các dạng khác:

Xét về vai trò tạo ra lực, chuyển động và các tín hiệu, ta so sánh 3 dạng thiết bị truyền động thường sử dụng: điện, khí nén và thuỷ lực Có thể tham khảo bảng sau:

2.1 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THUỶ LỰC

Qua bảng so sánh, có thể tóm tắt các ưu điểm và nhược điểm quan trọng của công nghệ thuỷ lực:

2.1.1 Ưu điểm :

- Truyền động công suất lớn với các phần tử có kích thước nhỏ

- Khả năng điều khiển vị trí chính xác

- Có thể khởi động với tải trọng nặng

- Hoạt động êm, trơn không phụ thuộc vào tải trọng vì chất lỏng hầu như không chịu nén, thêm vào đó còn sử dụng các valve điều khiển lưu lượng

- Vận hành và đảo chiều êm ả

- Điều khiển, điều chỉnh tốt

2.2.2 Nhược điểm:

- Nguy hiểm khi gần lửa

- Nguy hiểm khi áp suất vượt quá mức an toàn (đặc biệt với ống dẫn)

- Hiệu suất thấp

2.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC

Sơ đồ mô tả cấu trúc của một hệ thống thủy lực được biểu diễn trên hình Một hệ thống thủy lực có thể được chia ra hai thành phần chính:

Hình 7.2 Cấu trúc của hệ thống thủy lực

- Phần thủy lực

- Phần tín hiệu điều khiển

2.2.1 Phần thủy lực gồm:

 Khối nguồn thủy lực (Power supply section): thực chất là một bộ biến đổi

năng lượng ( Điện - cơ - thủy lực) Khối nguồn thủy lực gồm: Động cơ điện; bơm thủy lực; các van an toàn; bể chứa dầu; cơ cấu chỉ thị áp suất, lưu lượng…

 Khối điều khiển dòng thủy lực (Power control section ):

Trong hệ thống thủy lực, năng lượng được truyền dẫn giữa bơm và cơ cấu chấp hành đảm bảo những giá trị xác định theo yêu cầu công nghệ như lực; mô men; vận tốc hoặc tốc độ quay Đồng thời cũng phải tuân thủ những điều kiện vận hành hệ thống Vì vậy, các van được lắp đặt trên các đường truyền đóng vai trò như những phần tử điều khiển dòng năng lượng Ví dụ các van: Van đảo chiều; van tiết lưu; van áp suất; van một chiều…

Các van này có thể có vai trò là phần tử điều khiển hoặc điều chỉnh áp suất hay lưu lượng, và hơn nữa chúng cũng có những đặc điểm chung là gây tổn thất áp suất

 Các cơ cấu chấp hành (drive section) như: các xilanh (cylinders), các

động cơ thủy lực (Hydro-motors)

2.2.2 Phần tín hiệu điều khiển gồm:

 Các phần tử đưa tín hiệu (signal input) như: tác động bởi người vận hành

(thông qua công tắc, nút ấn, bàn phím…); bởi cơ khí ( các công tắc hành

trình) và bởi các cảm biến ( không tiếp xúc – cảm biến cảm ứng từ, cảm biến từ hóa…)

 Các tác động xử lý tín hiệu (signal processing) như: người vận hành; điện;

điện tử; khí nén, cơ khí ; thủy lực

2.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG VÀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG TRONG THỦY LỰC

Thuỷ lực học là khoa học về lực và chuyển động được truyền bởi môi trường chất lỏng Nó thuộc về lĩnh vực cơ học chất lỏng (Hình 1.3)

Hình 7.3 Cơ học chất lỏng

Sự khác biệt giữa Thuỷ tĩnh - Thuỷ động lực học:

Thuỷ tĩnh có lực tác dụng bằng áp suất chất lỏng nhân với diện tích tác dụng và thuỷ động có lực tác dụng bằng khối lượng chất lỏng nhân với gia tốc dòng chảy

Vậy piston cần phải có diện tích A= ?

2.3.3 Truyền lực ( Power transmission ):

Theo định luật Pascal, trong bình kín, áp suất ở mọi điểm có giá trị nhƣ nhau; lực tác dụng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tác dụng theo công thức:

F = P.A [N]

Do vậy hình dáng của bình chứa không có ý nghĩa

Trong hình, ta có P1= P2

Do đó chỉ cần một lực nhỏ F1 có thể thực hiện một công việc với lực lớn hơn F2 thông qua môi trường chất lỏng có áp suất

Từ các công thức: P1= F1/A1 ; P2=F2/A2

Suy ra :

Hay hệ số khuếch đại lực là: A2/A1

2.3.4 Lưu lượng:

Trong thuỷ lực học, lưu lượng chất lỏng được ký hiệu là Q

2.3.5 Phương trình dòng chảy liên tục:

Trong hệ thống thủy lực có các loại tổn thất sau:

2.3.6 Tổn thất thể tích:

Loại tổn thất này do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của

hệ thống gây nên

Nếu áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn

Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu, xilanh truyền lực)

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

tb = Q/Q0

Q- Lưu lượng thực tế của bơm dầu;

0- Lưu lượng danh nghĩa của bơm

Nếu lưu lượng chảy qua động cơ dầu là Q0đ và lưu lượng thực tế Qđ = qđ.đ

thì hiệu suất của đông cơ dầu là:

0- Công suất cần thiết để quay bơm (công suất danh nghĩa), tức là công suất cần thiết để đảm bảo lưu lượng Q và áp suất p của dầu, do đó:

N

0 = 410.6Q.p(kW) N- Công suất thực tế đo được trên trục của bơm (do mômen xoắn trên trục) Đối với dầu: N0đ = (p.Qđ)/6.104

- Sự thay đổi tiết diện

- Sự thay đổi hướng chuyển động

- Trọng lư ng riêng, độ nhớt

a ộ nhớt động lực

Độ nhớt động lực  là lực ma sát tính bằng 1N tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt 1m2 của hai lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng, cách nhau 1m và có vận tốc 1m/s

Độ nhớt động lực  được tính bằng [Pa.s] Ngoài ra, người ta còn dùng đơn

vị poazơ (Poiseuille), viết tắt là P

Độ nhớt động là tỷ số giữa hệ số nhớt động lực  với khối lượng riêng  của chất lỏng:

Đơn vị độ nhớt động là [m2/s] Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị stốc ( Stoke), viết tắt là St hoặc centistokes, viết tắt là cSt

2.4.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực:

Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc là độ nhớt, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định tính chất hoá học và tính chất vật lý, tính chống

rỉ, tính ăn mòn các chi tiết cao su, khả năng bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông đặc

Chất lỏng làm việc ph i đ m b o các yêu cầu sau:

- Có khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn nhiệt độ và áp suất;

- Độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

- Có tính trung hoà (tính trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả năng xâm nhập của khí, nhưng dễ dàng tách khí ra;

- Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít vỡ khe hở của các chi tiết di trượt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhất, cũng như tổn thất

ma sát ít nhất;

- Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan trong nước và không khí, dẫn nhiệt tốt, có môđun đờn hồi, hệ số nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ

- Trong những yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mãn được đầy đủ nhất

2.5 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ DẦU

Mạch thủy lực là một mạch vòng khép kín mà trên đó dầu thủy lực sẽ đƣợc vận chuyển vòng tròn Điều này có nghĩa là cần có một nguồn cung cấp dầu, để từ đó dầu đi vào bơm, ở đầu ra của bơm ta sẽ thu đƣợc đƣợc dầu có áp suất Dòng dầu này đƣợc điều khiển bởi van đến các thiết bị thủy lực và quay trở

về thùng chứa

Một khối nguồn đơn giản nhất (hình 7.4) bao gồm:

- Bơm thủy lực (Pump) đƣợc truyền động bởi động cơ điện M

- Bộ điều chỉnh áp suất ( Pressure regulator) nhằm bảo vệ bơm

- Dụng cụ chỉ thị các thông số, ví dụ chỉ thị áp suất( Pressure gauge)

- Thùng dầu (recervoir)

- Cổng ra P; cổng hồi dầu T

Ngoài ra, một khối nguồn tiêu chuẩn còn có các phần tử khác, nhƣ các bộ lọc dầu, bộ làm mát dầu, khâu kiểm tra dầu tràn, kiểm tra nhiệt độ dầu…

Hình 7.4 Khối nguồn thủy lực

Một điểm khác với hệ thống khí nén là trong hệ thống thủy lực, dầu thủy lực hầu nhƣ không chịu nén nên việc sử dụng bình tích áp ít hiệu quả, vì vậy