Lưu chất dùng trong truyền động thủy lực thể hiện khả năng tốt hơn khi chúng đóng vai trò là chất dẫn nhiệt làm giảm nhiệt độ cơ cấu máy thông qua việc trao đổi nhiệt giữa lưu chất với d[r]
Trang 1Truyền động thủy lực và khí nén Power Hydraulics and Pneumatics
TS Ngô Quang Hiếu
TS Trần Trung Tính
Ngày 27 tháng 12 năm 2013
Trang 2Mục lục
1.1 Sơ lược các dạng truyền động 2
1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 3
1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 6
1.3.1 Áp suất và áp suất thủy tĩnh 6
1.3.2 Nguyên lý Pascal 7
1.3.3 Phương trình dòng chảy liên tục 7
1.3.4 Phương trình Bernoulli 8
1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực 9
1.4.1 Tổn thất thể tích 9
1.4.2 Tổn thất cơ khí 9
1.4.3 Tổn thất áp suất 9
1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 9
1.5.1 Định luật Newton 10
1.5.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực 11
1.5.3 Cách lựa chọn dầu thủy lực 12
1.6 Đại lượng vật lý cơ bản trong truyền dẫn thủy lực 12
1.6.1 Áp suất 12
1.6.2 Lực 13
1.6.3 Công 13
1.6.4 Công suất 13
1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực 13
2 Bơm thủy lực 17 2.1 Phân loại bơm thủy lực 17
2.2 Đại lượng đặc trưng 19
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 20
2.3.1 Bơm piston 20
2.3.2 Bơm bánh răng 23
2.3.3 Bơm cánh gạt 23
Trang 3MỤC LỤC ii
2.3.4 Bơm trục vít 26
3 Van thủy lực 28 3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 28
3.1.1 Van một chiều 28
3.1.2 Van đảo chiều (van phân phối) 29
3.2 Van điều khiển áp suất 34
3.2.1 Van an toàn 34
3.2.2 Van cân bằng - Counterbalance valve 34
3.2.3 Van tuần tự 36
3.2.4 Van giảm áp 36
3.3 Van điều chỉnh lưu lượng 37
3.3.1 Van tiết lưu 37
3.3.2 Van ổn định vận tốc 38
4 Cơ cấp chấp hành thủy lực 39 4.1 Xy lanh thủy lực 39
4.1.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực 39
4.1.2 Phân loại xy lanh thủy lực 41
4.1.3 Cách lắp ghép xy lanh thủy lực 43
4.1.4 Tính toán xy lanh thủy lực 44
4.1.5 Kiểm tra bền cần piston (trạng thái uốn dọc) 44
4.1.6 Điều kiện làm việc của xy lanh thủy lực 46
4.1.7 Bảo quản và vận hành xy lanh thủy lực 46
4.2 Động cơ thủy lực 48
4.2.1 Động cơ dầu bán quay 48
4.2.2 Động cơ dầu 49
4.2.3 Công thức tính toán động cơ 51
5 Thiết bị phụ 52 5.1 Thùng dầu 52
5.2 Bộ lọc dầu 52
5.3 Thiết bị làm mát 54
5.4 Ống dẫn, đầu nối 54
5.4.1 Ống dẫn 54
5.4.2 Đầu nối 55
5.5 Ắc quy thủy lực 56
5.5.1 Bình ắc quy trọng lực 56
5.5.2 Bình ắc quy chứa lò xo 56
5.5.3 Bình ắc quy thủy khí 56
Trang 4MỤC LỤC iii
6 Mạch thủy lực thông thường 58
6.1 Mạch điều khiển áp suất 58
6.1.1 Mạch thủy lực với một van tràn trực tiếp 58
6.1.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp 59
6.1.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp (unloading van) 59 6.1.4 Mạch tuần tự 59
6.1.5 Mạch hãm cân bằng 60
6.2 Mạch điều khiển lưu lượng 60
6.2.1 Mạch điều khiển lưu lượng vào 60
6.2.2 Mạch điều khiển lưu lượng ra 61
6.2.3 Mạch vi sai 62
6.2.4 Mạch thay đổi vận tốc 62
6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 63
6.3.1 Mạch sử dụng công tắc hành trình và chuyển động của van bằng điện từ 63
6.3.2 Mạch sử dụng nhiều van điều khiển nối với nhau 63
6.4 Mạch thủy lực ứng dụng 67
6.4.1 Máy ép thủy lực 67
6.4.2 Ngàm kẹp thủy lực 67
7 Đại cương về khí nén 68 7.1 Giới thiệu về kỹ thuật khí nén 68
7.2 Đặc điểm của không khí 69
7.3 Đặc điểm của truyền động khí nén 71
7.4 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén 72
8 Cung cấp và xử lý khí nén 73 8.1 Máy nén khí 73
8.1.1 Máy nén khí thể tích 73
8.1.2 Máy nén khí kiểu root 75
8.1.3 Máy nén khí kiểu tuabin 75
8.2 Bộ lọc 76
8.3 Bộ điều chỉnh áp suất 77
8.3.1 Bộ điều chỉnh áp suất không có lỗ thoát 77
8.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất có lỗ thoát 78
8.4 Thiết bị bôi trơn 78
8.5 Nhóm thiết bị điều hòa 79
8.6 Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp 79
8.6.1 Bình ngưng tụ - Làm lạnh khí nén bằng không khí (bằng nước) 80
8.6.2 Sấy khô bằng chất làm lạnh 80
Trang 5MỤC LỤC iv
8.6.3 Sấy khô bằng hấp thụ 80
8.7 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén 81
8.8 Ký hiệu sử dụng trong thiết bị khí nén 82
8.8.1 Biểu diễn các đường dẫn bằng ký tự 82
8.8.2 Biểu diễn bằng số 82
8.8.3 Nguyên tắc trình bày sơ đồ mạch khí nén 82
9 Phần tử xử lý 85 9.1 Van điều chỉnh áp suất 85
9.1.1 Van an toàn 85
9.2 Van một chiều 85
9.3 Van điều chỉnh lưu lượng (Van tiết lưu) 85
9.4 Van logic 87
9.4.1 Van logic AND 87
9.4.2 Van logic OR 87
9.4.3 Van xả khí nhanh 88
9.4.4 Van định thời 88
9.4.5 Van áp suất tuần tự 89
10 Phần tử điều khiển 90 10.1 Van phân phối (Van đảo chiều) 90
10.2 Ký hiệu vị trí và cửa của van phân phối 91
10.3 Phương pháp điều khiển van phân phối 91
10.4 Van đảo chiều thông dụng 93
11 Cơ cấu tác động 96 11.1 Xy lanh khí nén 96
11.1.1 Phân loại xy lanh khí nén 96
11.1.2 Phương pháp cố định xy lanh (xem mục 4.1.3) 96
11.1.3 Tính toán xy lanh 96
11.1.4 Tính toán và kiểm tra bền cần piston (xem mục 4.1.5) 97 11.1.5 Độ dài hành trình 97
11.1.6 Tốc độ piston 97
11.1.7 Sự tiêu thụ không khí 97
11.2 Động cơ khí nén 98
11.3 Van chân không 99
12 Mạch khí nén cơ bản 101 12.1 Điều khiển trực tiếp 101
12.2 Điều khiển gián tiếp 102
12.3 Mạch khí nén sử dụng van logic OR 102
Trang 6MỤC LỤC v
12.4 Mạch khí nén dùng van xả khí nhanh 103
12.5 Mạch khí nén dùng van logic AND 103
12.6 Mạch khí nén dùng van 5/2 104
12.7 Mạch khí nén dùng công tắc hành trình 104
13 Thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động 105 13.1 Phương pháp thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động 105
13.2 Giản đồ hoạt động 106
13.3 Phương pháp biểu diễn trình tự làm việc theo Grafcet 107
13.4 Phương pháp thiết kế mạch theo module (mạch đếm bước) 108
13.5 Phương pháp thiết kế mạch bằng biểu đồ Karnaugh 109
13.5.1 Các khái niệm về đại số Boolean 110
13.5.2 Cấu trúc bảng chân trị và cách sử dụng 110
13.5.3 Bảng chân trị của các phần tử logic khí nén cơ bản 111
13.5.4 Biểu đồ Karnaugh 111
Trang 7Danh sách hình vẽ
1.1 Thủy tĩnh và thủy động học 6
1.2 Nguyên lý truyền dẫn thủy lực 7
1.3 Phương trình Bernoulli 8
1.4 Tổn thất trong mạch thủy lực 10
1.5 Hệ thống cân bằng trên xe hơi 14
1.6 Hệ thống thắng trợ lực ABS 15
1.7 Máy xúc thủy lực 16
1.8 Máy gặt đập liên hợp 16
2.1 Phân loại bơm thủy lực 17
2.2 Bơm ly tâm 18
2.3 Bơm hướng trục 18
2.4 Bơm piston thông thường 21
2.5 Bơm piston hướng tâm 21
2.6 Bơm piston hướng trục 22
2.7 Điều chỉnh lưu lượng bơm piston hướng trục 22
2.8 Cấu tạo bơm bánh răng 23
2.9 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài 24
2.10 Bơm bánh răng ăn khớp trong 24
2.11 Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng 24
2.12 Kết cấu bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng 25
2.13 Bơm cánh gạt kép 25
2.14 Kết cấu bơm cánh gạt 25
2.15 Bơm trục vít 26
2.16 Kết cấu bơm trục vít 27
3.1 Ký hiệu van một chiều 29
3.2 Cấu tạo van một chiều tải lò xo 30
3.3 Tổn thất áp suất trên van một chiều 30
3.4 Dòng chảy bị ngăn từ B đến A 30
3.5 Dòng chảy từ A đến B 30
Trang 8DANH SÁCH HÌNH VẼ vii
3.6 Dòng chảy từ B đến A khi có tín hiệu điều khiển 31
3.7 Mạch thủy lực sử dụng van một chiều có điều khiển 31
3.8 Cấu tạo cơ bản của van đảo chiều 31
3.9 Các phương pháp tác động vào van đảo chiều 32
3.10 Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí 32
3.11 Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí 32
3.12 Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí 33
3.13 Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí 33
3.14 Van an toàn điều khiển trực tiếp 35
3.15 Van an toàn điều khiển gián tiếp 35
3.16 Van an toàn kiểu nắp đậy 35
3.17 Van an toàn kiểu vi sai 35
3.18 Van cân bằng thông thường 36
3.19 Van cân bằng có điều khiển 36
3.20 Mạch thủy lực sử dụng van tuần tự 37
3.21 Van giảm áp 37
3.22 Van ổn định vận tốc (giảm tốc) 38
4.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực 40
4.2 Xy lanh tác động đơn 41
4.3 Xy lanh tác động kép 42
4.4 Xy lanh nhiều tầng 42
4.5 Xy lanh tác động hai phía 42
4.6 Xy lanh quay (cơ cấu thanh răng - bánh răng) 43
4.7 Lắp xy lanh cố định 43
4.8 Lắp xy lanh có chuyển động 43
4.9 Bảng tra thông số xy lanh 45
4.10 Chiều dài tương đương theo phương pháp cố định xy lanh 46
4.11 Động cơ cánh gạt đơn 48
4.12 Động cơ cánh gạt kép 48
4.13 Động cơ bán quay kiểu thanh răng - bánh răng 48
4.14 Động cơ bánh răng 49
4.15 Động cơ cánh gạt 49
4.16 Động cơ dầu piston hướng kính 50
4.17 Động cơ dầu piston hướng trục 50
4.18 Động cơ dầu piston hướng trục thay đổi được lưu lượng riêng 50 5.1 Thùng dầu thủy lực 53
5.2 Các loại bộ lọc dầu 53
5.3 Các loại bộ lọc dầu 54
5.4 Ống dẫn thủy lực 55
Trang 9DANH SÁCH HÌNH VẼ viii
5.5 Đầu nối ống thủy lực 55
5.6 Cách lắp ống dẫn mềm vào đầu nối 55
5.7 Ắc quy trọng lực 56
5.8 Ắc quy lò xo 57
5.9 Ắc quy thủy khí 57
5.10 Ắc quy thủy khí 57
6.1 Mạch thủy lực điều khiển bằng tay với van tràn trực tiếp 58
6.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp 59
6.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp 60
6.4 Mạch thủy lực tuần tự 60
6.5 Mạch hãm cân bằng 61
6.6 Mạch điều khiển lưu lượng 61
6.7 Mạch vi sai 62
6.8 Mạch thay đổi vận tốc 62
6.9 Mạch điều khiển trực tiếp bằng các công tắc hành trình 63
6.10 Mạch nối song song 64
6.11 Mạch riêng lẻ 65
6.12 Mạch nối tiếp 66
6.13 Mạch máy ép thủy lực 67
6.14 Ngàm kẹp thủy lực 67
7.1 Thành phần không khí 70
7.2 Áp suất tuyệt đối và áp suất dư (áp suất tương đối) 71
7.3 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén 72
8.1 Máy nén khí kiểu piston 73
8.2 Máy nén khí kiểu piston ba cấp 74
8.3 Máy nén khí kiểu màng 75
8.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt 75
8.5 Máy nén khí kiểu root 76
8.6 Máy nén khí kiểu tuabin 76
8.7 Bộ lọc khí 76
8.8 Bộ điều chỉnh áp suất khí không có lỗ thoát 77
8.9 Bộ điều chỉnh áp suất khí có lỗ thoát 78
8.10 Thiết bị bôi trơn 79
8.11 Nhóm thiết bị điều hòa 79
8.12 Thiết bị sấy khô khí nén bằng chất làm lạnh 80
8.13 Sấy khô khí nén bằng hấp thụ 81
8.14 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén 81
Trang 10DANH SÁCH HÌNH VẼ ix
9.1 Van khí nén một chiều 86
9.2 Ký hiệu van một chiều 86
9.3 Van tiết lưu 86
9.4 Ký hiệu van tiết lưu 86
9.5 Van logic AND 87
9.6 Van logic OR 87
9.7 Van xả khí nhanh 88
9.8 Van định thời 88
9.9 Van áp suất tuần tự 89
10.1 Van phân phối 90
10.2 Mô tả vị trí và cửa của van phân phối 91
10.3 Tác động vào van phân phối 92
10.4 Van phân phối 3/2, tác động bằng nút nhấn 93
10.5 Van phân phối 3/2, tác động bằng khí 93
10.6 Van phân phối 3/2, tác động bằng con lăn 94
10.7 Van phân phối 4/2, tác động bằng nút nhấn 94
10.8 Van phân phối 4/3, tác động bằng cần gạt có chốt định vị 94
10.9 Van phân phối 5/2, tác động hỗn hợp bằng khí và nút nhấn 95
11.1 Động cơ khí nén kiểu cánh gạt 98
11.2 Động cơ khí nén kiểu ly tâm và tuabin 98
11.3 Một số động cơ khí nén trên thị trường 99
11.4 Cấu tạo và ký hiệu van chân không 99
11.5 Van chân không 99
11.6 Thiết bị nâng tấm kiếng sử dụng van chân không 100
12.1 Điều khiển trực tiếp xy lanh đơn 101
12.2 Điều khiển gián tiếp xy lanh đơn 102
12.3 Mạch khí nén sử dụng van OR 102
12.4 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh 103
12.5 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh 103
12.6 Mạch khí nén sử dụng van 5/2 104
12.7 Mạch khí nén sử dụng công tắc hành trình 104
13.1 Bộ thiết bị cơ bản cho thiết kế mạch khí nén tư động 107
13.2 Module khí nén 109
13.3 Mạch khí nén với 5 module 109
13.4 Mạch khí nén theo chu trình A+, B+, B-, A- 110
13.5 Các định lý boolean (đầy đủ) 111
13.6 Phần tử OR) 112
13.7 Phần tử AND 112
Trang 11DANH SÁCH HÌNH VẼ x
13.8 Phần tử YES 112
13.9 Phần tử NOT 112
13.10Phần tử MEMORY 113
13.11Chu trình làm việc 113
13.12Bảng Karnaugh của hệ thống 114
13.13Hàm điều kiện của các xy lanh 114
Trang 12Danh sách bảng
Trang 13Chương 1
Giới thiệu
1.1 Sơ lược các dạng truyền động
Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất đến nơi tiêu thụ Tuỳ theo công suất và khoảng cách vận chuyển, người ta có thể áp dụng các loại truyền động khác nhau Trong thực tế có 3 dạng truyền động phổ biến là truyền động điện, truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực
• Truyền động cơ khí Truyền động cơ khí là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng được biến đổi qua lại với nhau Truyền động cơ khí cho phép truyền những công suất tương đối lớn, hiệu suất cao, nhưng cồng kềnh, khoảng cách truyền hạn chế, độ nhạy và độ chính xác kém Một hệ truyền động
cơ khí bao gồm các bộ phận chính sau:
– Bộ phận nối (trục truyền động, khớp nối, )
– Bộ phận đáp ứng (bộ giảm tốc hoặc tăng tốc, hộp số, dây đai, ) – Bộ phận an toàn (phanh, bộ hạn chế mômen, )
• Truyền động điện Truyền động điện là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng và điện năng được biến đổi qua lại với nhau Đặc điểm của truyền động điện là cho phép truyền công suất ở khoảng cách xa, điều chỉnh vận tốc với độ chính xác cao Các bộ phận của truyền động điện bao gồm: – Máy phát điện làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng
Trang 141.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 3
– Động cơ điện (cơ cấu chấp hành) làm nhiệm vụ chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng
– Các khâu trung gian như dây nối, công tắc, bộ đáp ứng, cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn và các thiết bị kiểm tra,
• Truyền động thủy lực Truyền động thủy lực là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng được truyền đi thông qua môi chất là chất lỏng Các bộ phận chính của một hệ truyền động thủy lực gồm có:
– Bơm thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực
– Động cơ thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng thủy lực thành cơ năng ở khâu ra của hệ truyền động
– Hệ thống đường ống và cơ cấu lọc chất lỏng
– Các phần tử thủy lực (cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn, cơ cấu điều chỉnh)
– Các thiết bị kiểm tra các thông số nhiệt độ, áp suất, mức nước,
1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống
truyền động thủy lực
Truyền động thủy lực có nhiều đặc điểm ưu việt hơn khi so sánh với những dạng truyền động khác nhờ vào những tính chất cơ bản của dòng lưu chất Những ưu điểm đó như sau:
• Việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động là một giới hạn cơ bản của bất kỳ thiết bị nào Dầu bôi trơn bị mất tính nhớt, cơ cấu cơ khí bị kẹt lại là những hiện tượng làm phá hỏng thiết bị khi nhiệt độ tăng cao Lưu chất dùng trong truyền động thủy lực thể hiện khả năng tốt hơn khi chúng đóng vai trò là chất dẫn nhiệt làm giảm nhiệt độ
cơ cấu máy thông qua việc trao đổi nhiệt giữa lưu chất với dung dịch làm mát của bộ trao đổi nhiệt Đặc tính này làm cho kích thước các
bộ phận nhỏ hơn cũng như khối lượng sẽ nhẹ hơn
• Lưu chất đóng vai trò như là dầu bôi trơn nên có khả năng kéo dài tuổi thọ thiết bị