Hướng dẫn ôn tập Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí - EEAC 2021

Kỹ Thuật Điều Khiển Thủy Khí là một môn học cung cấp cho sinh viên kiến thức về các thiết bị của hệ thống điều khiển khí nén – thủy lực trong thực tế, là nền tảng cho sinh viên có thể họ

HƯỚNG DẪN ÔN TẬP

TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ

NĂM 2021

HƯỚNG DẪN ÔN TẬP

TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ

NĂM 2021

Kỹ Thuật Điều Khiển Thủy Khí là một môn học cung cấp cho sinh viên kiến thức về các thiết bị của hệ thống điều khiển khí nén – thủy lực trong thực tế, là nền tảng cho sinh viên có thể học tập và ứng dụng vào những môn học kế tiếp

Nhằm giúp cho sinh viên có một cái nhìn tổng quan hơn về môn học, dễ dàng ôn tập

và củng cố kiến thức, cũng như luyện một số đề thi trong những năm gần đây Chúng tôi

đã cùng nhau biên soạn Tài liệu Hướng dẫn ôn tập Kỹ thuật điều khiển Thủy Khí dựa trên

cơ sở chương trình chi tiết của môn học Tài liệu được chia làm 4 phần chính:

− Phần 1: Các kiến thức cơ bản

− Phần 2: Hướng dẫn thiết kế mạch khí nén và điện – khí nén

− Phần 3: Hướng dẫn trả lời các câu hỏi ôn tập

− Phần 4: Các đề thi tham khảo

Trong quá trình biên soạn, tài liệu không thể tránh được các sai sót nên rất mong các bạn đọc đóng góp xây dựng để tài liệu ngày một hoàn thiện

Trân trọng cảm ơn

Các tác giả

PHẦN I

CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN

1.1 Khái niệm chung

− Hệ thống khí nén là hệ thống mà trong đó các thiết bị khí hoạt động nhờ sự tác động của khí nén Bằng việc nén khí, năng lượng khí được tích lũy để cung cấp cho các hệ thống khí

− Các thiết bị khí có thể chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay: Các thiết bị khí chuyển động tịnh tiến như hệ thống đóng mở cửa tự động trên xe bus hoặc trên tàu hỏa, … Các thiết bị chuyển động quay như máy khoan, máy đánh bóng kim loại vận hành bằng khí nén,…

− Hệ thống khí nén với áp suất thấp được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa các máy sản xuất, trong các ngành công nghiệp khác nhau và ngày nay đã được sử dụng để điều khiển các quá trình công nghiệp nhờ đặc tính chống nổ và dễ bảo trì sửa chữa Khí nén đã đóng một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động

Hệ thống phanh khí nén trên xe tải, container

1.2 Ưu điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén

− Về tính khả thi: Khí nén được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cho những ứng

dụng khác nhau từ việc khoan, mài cho đến sơn phun, … Khí có thể lấy dễ dàng từ không khí cũng như có thể xả ra môi trường xung quanh, nghĩa là hệ thống không cần đường hồi

− Về độ tin cậy: thiết bị khí làm việc tin cậy hơn các thiết bị điện và điện tử

− Khả năng thích nghi: có thể tham gia vào quá trình tự động hóa, …

− Có thể hoạt động trong điều kiện môi trường không thuận tiện: các phần tử khí không

bị ảnh hưởng bởi bụi, không bị mài mòn như các hệ thống điện và thủy lực, hệ thống khí có khả năng chịu được sự rung động và có thể hoạt động an toàn trong môi trường dễ cháy nổ, … đặc biệt thích hợp trong các nhà máy hóa chất, …

− Tính an toàn cao: Máy nén khí hoạt động với độ an toàn cao hơn so với máy phát

điện hoặc bơm thủy lực

− Trong chuyển động tịnh tiến: nhiều quá trình tự động liên quan đến sự chuyển động

tịnh tiến có chu kỳ, đối với thiết bị điện, một chuyển động tịnh tiến biên độ 50mm rất khó thực hiện trong khi đó với thiết bị khí có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến tới 3m

− Về yêu cầu thay đổi tốc độ: mạch khí có thể dễ dàng dùng để thay đổi tốc độ

− Về tính kinh tế: hệ thống khí có chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp

1.3 Nhược điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén

− Sự thoát nhiệt khi khí bị nén là vấn đề cần quan tâm cho nên khí nén cần được làm lạnh nếu có thể

− Những động cơ khí chuyển động quay (được sử dụng trong máy nâng, máy trộn, máy mài, …) có hiệu suất rất thấp (khoảng 20%) so với động cơ điện (khoảng 90%) Tuy nhiên, động cơ khí bền hơn và có thể đạt được tốc độ cao hơn (như máy khoan dùng trong nha khoa, máy đánh bóng kim loại, …)

− Có thể thiết kế một hệ thống điều khiển dùng hoàn toàn thiết bị khí tuy nhiên trong công nghiệp thường sử dụng thiết bị khí kết hợp với các thiết bị khác như điện hoặc điện tử

1.4 Ứng dụng của khí nén

1.4.1 Trong lĩnh vực điều khiển

− Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đọan tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau Chỉ riêng ở cộng hòa liên bang Đức đã có khoảng 60 hãng sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén

− Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị xi mạ, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất

của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện Nhưng ngược lại thể tích và trong lượng nhỏ hơn 30% so với động

cơ điện có cùng công suất

+ Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, công suất khoảng 3.5 kW; máy mài, công suất khoảng 2.5 kW, cũng như những máy mài có công suất nhỏ hơn, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp

− Truyền động thẳng:

+ Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh hãm của

ô tô

− Trong các hệ thống đo và kiểm tra:

+ Dùng trong các trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

+ Dùng trong các hệ thống bảo vệ các thiết bị (hệ thống báo động nồng độ hơi dầu các-te, …)

CHƯƠNG 2 NGUỒN CUNG CẤP KHÍ NÉN

2.1 Nguyên lý chung

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí Hình bên dưới mô tả một hệ thống máy nén khí điển hình Một động cơ điện lai máy nén nén khí vào bình chứa Việc điều khiển máy nén khí được thực hiện bằng relay áp lực max và min Khi áp suất khí trong bình chứa giảm xuống giá trị min thì relay này tác động đóng mạch cho động cơ điện lai máy nén, ngược lại khi áp suất khí trong bình đạt giá trị max thì relay này tác động dừng động cơ điện lai máy nén Với P là áp suất khí trong bình chứa, ta có thuật toán điều khiển máy nén như sau:

Nếu 𝑃 = 𝑃𝑚𝑖𝑛 thì chạy máy nén, P tăng dần

𝑃𝑚𝑎𝑥 > 𝑃 > 𝑃𝑚𝑖𝑛 vẫn chạy máy nén

Nếu 𝑃 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 dừng máy nén, do tiêu thụ P giảm dần

𝑃𝑚𝑎𝑥 > 𝑃 > 𝑃𝑚𝑖𝑛 vẫn dừng máy nén

𝑃 = 𝑃𝑚𝑖𝑛 chạy máy nén

Sơ đồ máy nén điển hình

1 Bình chứa; 2 Van xả; 3 Van; 4 Bộ lọc; 5 Bộ điều chỉnh áp suất và đồng hồ đo;

6 Ống góp; 7 Van an toàn; 8 Đồng hồ đo; 9 Relay điều khiển;

10 Động cơ điện; 11 Máy nén khí; 12 Phin lọc

Áp suất trong bình được chỉ thị bởi đồng hồ, thường đơn vị là bar

1 bar = 0,1 𝑁

𝑚𝑚 2 = 100 Kpa ≈ áp suất khí quyển

Nguồn khí từ bình chứa đi qua một bộ lọc để đảm bảo khí sạch và khô, sau đó qua bộ điều chỉnh lưu lượng để tạo lưu lượng khí ổn định có áp suất thấp hơn trong bình chứa

Khí nén sau khi qua van điều chỉnh thì qua một bộ bôi trơn bằng dầu và khí mang lượng dầu này đi bôi trơn cho các phần tử khí giúp chúng hoạt động trơn tru và hiệu quả hơn

2.2 Máy nén khí

Máy nén là một thiết bị có nhiệm vụ hút không khí từ ngoài khí quyển và nén vào một

không gian kín, áp suất khí tăng dần làm cho nhiệt độ khí tăng Khí được hút vào máy nén

càng lạnh càng tốt để cho một lượng khí lớn nhất có thể được hút trong mỗi chu kỳ có độ ẩm

càng thấp càng tốt Có 3 loại máy nén được dùng làm máy nén khí:

− Máy nén tịnh tiến (reciprocating compressor)

− Máy nén cánh quay (rotating vane compressor)

− Máy nén trục vít (rotary screw compressor)

2.3 Xử lý khí nén

Việc xử lý khí nén bao gồm 3 khâu cơ bản: lọc, điều áp và bôi trơn

2.3.1 Bộ lọc khí

Cấu trúc bộ lọc khí

(a) - Nguyên lý; (b) - Cấu trúc của bộ lọc thực tế

Nước, chất rắn và dầu cặn cần phải được tách hoàn toàn hoặc một phần ra khỏi khí nén

trước khi đưa vào sử dụng Tuy nhiên, đây là một quá trình phức tạp và tốn kém do đó chỉ

cần thực hiện ở mức có thể chấp nhận được tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng

Chất rắn như cặn bẩn, cát, sản phẩm carbon, và nói chung những hạt có đường kính > 25 m cần phải được lọc ra khỏi khí nén Bộ lọc thường được làm từ sợi thủy tinh,

gốm, nylon, nỉ, …

Sau khi tất cả các chất lỏng và chất rắn đã được tách khỏi thì khí nén cần được đưa qua

thiết bị làm khô khí để tách hơi nước Có 3 nguyên tắc làm khô khí:

− Thiết bị hấp thụ nước bằng một tác nhân (hydroscopic absorption by an agent)

− Bộ làm khô đông lạnh (refrigeration dryer)

− Bộ làm khô tan rửa dùng hóa chất (chemical deliquescent dryer)

2.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất khí

Sau khi khí đã được làm sạch, nó cần phải được điều chỉnh để hoạt động với áp suất tối

ưu của hệ thống Tất cả các phần tử khí cần phải hoạt động đúng áp suất định mức để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống cũng như độ bền của từng phần tử riêng biệt

Những bộ điều chỉnh áp suất, được lắp đặt ở các điểm khác nhau trong mạch khí có chức năng duy trì một áp suất không đổi trong đường ống và cũng để điều khiển lực tạo ra bởi các xy-lanh, bù cho sự thay đổi áp suất đường ống tạo ra bởi các bộ phận chuyển động

Cấu trúc của bộ điều chỉnh có giảm áp

2.4 Hệ thống phân phối khí nén

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí từ máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ như động cơ khí nén, máy ép dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và

hệ thống điều khiển dùng không khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển)

Hệ thống phân phối khí nén

Một số Xy-lanh tác động kép có cấu trúc khác

3.1.3 Xy-lanh không có cần piston (Rodless cylinder)

Xy-lanh không có cần piston có một ưu điểm vượt trội so với xy-lanh có cần piston là chiều dài thiết kế của loại này chỉ bằng một nửa Loại xy-lanh này được chia làm 3 nhóm chính:

− Xy-lanh kiểu dây đai (Band cylinder)

− Xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder)

− Xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ (Cylinder with magnetic coupling)

Xy-lanh không cần piston

3.2 Động cơ khí nén (Pneumatic motor)

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động quay với khả năng chuyển động liên tục được gọi là động cơ khí nén

Các động cơ khí nén có thể phân loại theo thiết kế:

− Động cơ piston (Piston motor)

− Động cơ cánh gạt (Sliding-vane motor)

− Động cơ bánh răng (Gear motor)

− Động cơ tuốc - bin (lưu lượng cao) (Turbine motor)

Đặc điểm của các động cơ khí nén: Điều chỉnh tốc độ và momen êm, kích thước, trọng lượng nhỏ, an toàn quá tải, chống cháy nổ, dải tốc độ rộng, ít phải bảo trì, bảo dưỡng, dễ đảo chiều và không nhạy cảm nhiều với bụi bẩn, nước, nhiệt độ

3.2.1 Động cơ piston

Động cơ khí nén kiểu piston được chia làm 2 loại: Động cơ hướng kính (radial piston motor) và động cơ hướng trục (axial piston motor)

Động cơ hướng kính và động cơ hướng trục

3.2.2 Động cơ cánh gạt

Do kết cấu đơn giản và trọng lượng bé cho nên các động cơ kiểu cánh gạt thường được

sử dụng cho các công cụ cầm tay

Cửa nối với

3 4

Cấu tạo và nguyên lý của động cơ cánh gạt

3.2.3 Động cơ bánh răng

Loại động cơ này dựa trên tính chất momen được sinh ra bởi áp suất khí chống lại dạng profin răng của 2 bánh răng ăn khớp với nhau Một bánh răng chủ động được gắn với trục động cơ Bánh răng của động cơ có thể ở dạng bánh răng thẳng hoặc nghiêng Động cơ bánh răng có dải công suất rất lớn, có thể lên đến 44 kW (60 HP) Động cơ bánh răng cũng có thể đảo chiều được

3.2.4 Động cơ tuốc bin

Các động cơ tuốc-bin chỉ có thể sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất thấp, và tốc

độ rất cao Ví dụ như trong máy khoan nha khoa, tốc độ hoạt động của động cơ khoan có thể lên đến 500.000 vòng/phút

3.3 Điều khiển Xy-lanh tác động đơn

Để điều khiển xy-lanh tác động đơn, người ta thường sử dụng van 3 cửa (3-port valve) Theo nguyên lý, có thể phân làm 2 loại cơ bản: Van thường đóng (NC - Normally closed) và van thường mở (NO - Normally open)

Cấu trúc van thường đóng

Cấu trúc van thường mở

Có 4 loại tác động bằng tay thường được sử dụng của van 3 cửa:

− Loại nút nhấn (push-button) được vận hành nhanh và tiện lợi

− Loại chìa khóa (key) được dùng khi đòi hỏi mức độ an toàn cao hơn

− Loại cần gạt (set-reset) giữ nguyên vị trí set cho tới khi được reset

− Loại bàn đạp (foot pedal) được dùng để điều khiển bằng chân

Ký hiệu trên bản vẽ các loại van tác động bằng tay

Các loại van 3 cửa khác có thể hoạt động bằng các bộ phận hoặc tín hiệu trong mạch:

− Loại cần đẩy (plunger)

− Loại con lăn hành trình (roller-trip)

− Loại van con lăn hành trình 1 chiều

− Loại van điện từ (solenoid valve)

− Loại van tác động khí (air-pressure valve, pilot valve)

− Loại van màng (diaphragm valve)

Ký hiệu trên bản vẽ các loại van hoạt động bằng các bộ phận hoặc tín hiệu

3.4 Điều khiển Xy-lanh tác động kép

3.4.1 Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van 5 cửa

Van 5 cửa trong đó cửa 1 là cửa khí vào, cửa 2 và 4 là 2 cửa ra xy-lanh, cửa 3 và 5 là 2 cửa

xả

Ký hiệu trên bản vẽ của van 5 cửa

3.4.2 Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van tác động khí

Trong nhiều tình huống, chúng ta muốn van 3, 5 cửa hoạt động tự động bằng tín hiệu khí hơn là cơ khí

Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van tác động khí

3.4.3 Điều khiển Xy-lanh ở 2 vị trí

Một Xy-lanh được điều khiển bởi 1 trong 2 vị trí thì ta dùng van chặn (shuttle valve)

Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu van chặn (shuttle valve)

3.5 Lực tạo ra bởi Xy-lanh

3.5.1 Lực tác động ở hành trình ra (out-stroke) của Xy-lanh

Về lý thuyết, giả sử hiệu suất trong xy-lanh là 100% thì ta có công thức sau:

Trong một xy-lanh tác động kép, phần diện tích tiếp xúc với khí nén của piston nhỏ hơn khi thực hiện hành trình ra do thanh truyền của piston (piston rod) chiếm một không gian nhất định

Lực tác động đối với XL tác động kép:

F = p.(πR 2 - πr 2 ) 3.5.3 Công thực hiện trong Xy-lanh

Gọi W là công sinh ra trong 1 hành trình, F là lực tác động lên piston, L là chiều dài hành trình Ta có:

W = F.L 3.5.4 Lực tạo ra bởi khí xả

Gọi p1 là áp lực khí cửa vào, p2 là áp lực khí xả ra, ta có áp suất có ích là (p1 – p2) và lực tác dụng lên piston là:

F = (p 1 - p 2 ).A = (p 1 - p 2 ).π.R 2

3.5.5 Tốc độ piston

Tốc độ của xy-lanh được xác định bằng kích thước của van điều khiển và ống nối, độ lớn

và loại tải cũng như áp suất khí, nói chung là:

.

− V H là tốc độ trung bình khi tải nặng

− v.p.a là diện tích của cửa van (valve port area)

− c.p.a là diện tích bề mặt piston (cylinder piston area)

3.6 Lượng khí tiêu thụ trong Xy-lanh

Dung tích máy nén tương ứng với 1 piston là lượng khí nén được trong 1 phút và thực tế không phải tất cả thể tích khí phân phối tới piston bằng máy nén Dung tích máy nén tương ứng với mỗi piston D là:

D = L.A.N

− L là khoảng hành trình của piston

− A là diện tích bề mặt piston

− N là số hành trình của piston trong 1 phút

3.7 Điều khiển tốc độ piston

Trong nhiều trường hợp yêu cầu điều chỉnh tốc độ hành trình ra và hành trình vào của 1 piston Để điều chỉnh, thường dùng bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator)

3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng

Van điều khiển lưu lượng 1 chiều (unidirectional flow control valve) hay còn gọi là bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator) được sử dụng để điều khiển lưu lượng khí chỉ trong một chiều, còn chiều ngược lại thì khí có thể đi qua tự do

Cấu tạo nguyên lý và ký hiệu bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator)

3.7.2 Bộ giới hạn lưu lượng

Một thiết bị đơn giản hơn được dùng để điều chỉnh lưu lượng cả 2 chiều là bộ giới hạn 2 chiều (bidirectional restricter)

Bộ phận quan trọng nhất trong mạch trễ là bình chứa (reservoir), nó có tác dụng tương

tự như 1 đường ống dài nhưng có thể tích lớn hơn cho nên cần phải có 1 thời gian vài giây để

áp suất qua nó đạt giá trị áp suất làm việc trong hệ thống

Điều khiển xy-lanh tác động kép với thời gian trễ

3.9 Mạch xung

Mạch xung tránh trường hợp xung đột tín hiệu xảy ra ở van điều khiển 5/2 nếu như van điều khiển nó được giữ quá lâu

3.10 Khí thoát và mạch nhạy cảm áp suất

Van màng mỏng (diapharm valve) hay van nhạy cảm áp suất (pressure-sensing valve)

Nó có thể là van 3 cửa hoặc van 5 cửa, chức năng của loại van này là khuếch đại tín hiệu áp suất thấp nhờ 1 màng mỏng để cung cấp 1 áp suất lớn cần thiết để kích cho một vùng lỗ nhỏ của van con trượt (spool valve)

Mạch khí thoát

Mạch nhạy cảm áp suất

CHƯƠNG 4 CÁC PHẦN TỬ VÀ MẠCH LOGIC KHÍ (TÓM TẮT)

4.1 Một số hàm logic cơ bản

4.1.1 Hàm AND

Hàm logic khí AND

Cửa ra (Out) chỉ được kích thích khi tất cả n cửa vào đều được kích thích

Xét hàm AND có n cửa vào 1, 2, , n Hàm này thực hiện phép toán sau:

Cửa ra (Out) được kích thích khi chỉ cần 1 cửa vào được kích thích

Xét hàm OR có n cửa vào 1, 2, , n Hàm này thực hiện phép toán sau:

Hàm này luôn chỉ có 1 tín hiệu vào

Khi không có xung điều khiển (Impulse) thì tín hiệu ra (Out) bằng tín hiệu vào (In), khi

có xung điều khiển (Impulse) thì tín hiệu ra mất

Để minh họa, ta xét hàm NAND có 2 cửa vào

4.1.5 Hàm NOR

Xét hàm NOR có n cửa vào 1, 2, , n Hàm này thực hiện phép toán sau:

Để minh họa, ta xét hàm NOR có 2 cửa vào

CHƯƠNG 5 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÍ

5.1 Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn

Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn (a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Quan hệ giữa 𝑃𝑏 và x

Về hoạt động của hệ thống này, bản chắn được định vị chính diện vòi phun, áp suất khí trong vòi phun phụ thuộc vào khoảng cách x giữa vòi phun - bản chắn Bản chắn càng ở gần vòi phun thì áp suất khí trong vòi Pb càng cao Nếu vòi phun bị chắn kín hoàn toàn bởi bản chắn thì áp suất khí trong vòi phun Pb bằng áp suất khí cung cấp Ps Nếu bản chắn dịch chuyển

ra xa vòi phun sao cho khoảng cách vòi phun - bản chắn đủ lớn (khoảng 0,25 mm) thì thực tế hầu như không có cản trở lưu lượng khí và áp suất trong vòi phun lấy giá trị min, giá trị này phụ thuộc vào thiết bị, và đạt giá trị thấp nhất bằng áp suất môi trường Pa Chú ý rằng, vì khí tác động lên bản chắn nên vòi phun có đường kính càng nhỏ càng tốt

5.2 Relay khí

Sơ đồ relay khí được mô tả như hình dưới

Relay khí (a) Loại có đường thoát khí; (b) Loại không có đường thoát khí

Khi áp suất từ vòi phun Pb tăng, màng van dịch chuyển xuống, độ mở đường khí thoát ra không khí giảm, còn độ mở của đường khí đến van khí tăng, tức là Pc tăng Khi màng van dịch chuyển xuống đóng kín đường thoát thì áp suất khí Pc bằng áp suất khí cung cấp Ps

Khi áp suất vòi phun Pb giảm thì màng van dịch chuyển lên, đóng nguồn khí cung cấp, khí điều khiển Pc vì thế có thể thay đổi từ 0 đến cực đại (1,4 kg/cm2) Tổng dịch chuyển màng van rất nhỏ

Trong tất cả các vị trí của van, chỉ trừ trường hợp đóng kín nguồn khí cung cấp, một lượng khí liên tục thoát ra môi trường, thậm chí khi có những điều kiện cân bằng giữa áp suất trong vòi phun và áp suất điều khiển, vì thế relay được vẽ trên hình a được gọi là relay kiểu khí thoát (bleed-relay)

Trên hình b vẽ relay loại không thoát khí (nonbleed-relay) Trong loại này, chỉ xuất hiện khí thoát khi chưa đạt điều kiện cân bằng Vì vậy, không có sự thất thoát khí nén trong chế

độ hoạt động ổn định Tuy nhiên, chú ý rằng, loại này cần phải có đường thoát khí từ van tác động qua đường khí điều khiển Pc ra môi trường (hình b)

Có vài relay khí tác động ngược chiều Chẳng hạn như relay được vẽ ở hình bên dưới thuộc loại này, khi áp suất vòi phun tăng lên thì viên bi bị ấn xuống, áp suất điều khiển Pcgiảm

Relay tác động ngược chiều

5.3 Bộ điều khiển tỉ lệ (PC - proportional cotroller)

Có hai loại bộ điều khiển khí: loại thứ nhất là lực - khoảng cách, loại thứ hai là lực - cân

bằng

5.3.1 Loại lực - khoảng cách (Force - distance)

Hoạt động của bộ điều khiển trên như sau: tín hiệu vào đến bộ khuếch đại khí 2 tầng là tín hiệu sai lệch của cơ cấu Khi tín hiệu sai lệch này tăng thì bản chắn dịch chuyển sang trái, dịch chuyển này làm tăng áp suất vòi phun và màng van dịch chuyển xuống dưới Kết quả là tăng áp suất khí điều khiển Sự tăng áp suất này làm cho hộp xếp giãn nở và dịch chuyển bản chắn vế phía phải làm mở vòi phun Nhờ tín hiệu phản hồi này mà khoảng cách giữa vòi phun

và bản chắn rất nhỏ trong khi sự thay đổi áp suất khí ra vẫn lớn

Phương trình của bộ điều khiển này có thể rút ra như sau: khi sai lệch tác động là e = 0 thì tồn tại trạng thái cân bằng với khoảng cách vòi phun bản chắn là X̅, khoảng cách dịch chuyển của hộp xếp là Y̅, khoảng cách dịch chuyển của màng van là Z̅, áp suất vòi phun là P̅b,

và áp suất điều khiển là P̅c Khi xuất hiện sai lệch cơ cấu thì khoảng cách vòi phun bản chắn, khoảng dịch chuyển của hộp xếp, khoảng dịch chuyển của màng, áp suất vòi phun và áp suất điều khiển lệch khỏi vị trí cân bằng Ta gọi các độ lệch này tương ứng là x, y, z, pb, pc Chiều dương của các biến này được chỉ bằng mũi tên trên hình vẽ

Bộ điều khiển lực - khoảng cách: (a) Sơ đồ (b) Bản chắn một đầu cố định; (c) Bản chắn một đầu nối với hộp xếp;

(d) Sơ đồ khối hệ thống; (e) Sơ đồ khối đơn giản

Sơ đồ khối đơn giản như hình e Vì pc và e là tỷ lệ, nên bộ điều khiển khí này được gọi là

bộ điều khiển tỷ lệ Hệ số khuếch đại dễ dàng được chỉnh định trong một dải rộng nhờ chỉnh

ks, chúng ta có thể chỉnh giá trị này bằng cách chỉnh cần nối tới bản chắn (không vẽ trên sơ

đồ a)

Bộ điều khiển khí không có cơ cấu phản hồi như hình b có độ nhạy cao hơn và được gọi

là bộ điều khiển khí 2 vị trí, hoặc là bộ điều khiển khí ON/OFF Trong những bộ điều khiển như như thế này, chỉ cần một dịch chuyển nhỏ giữa vòi phun và bản chắn là có thể dẫn đến

sự thay đổi áp suất ra từ cực đại về cực tiểu Đường cong biểu diễn quan hệ Pp với x và Pc với

x được vẽ trên hình b bên dưới Chú ý rằng, một sự thay đổi nhỏ của x tạo nên một sự thay đổi lớn của Pp và vì thế van màng có thể mở hoặc đóng hoàn toàn

(a) Bộ điều khiển khí không phản hồi;

(b) Đường biểu diễn quan hệ giữa 𝑃𝑏 và x;

(b) Đường biểu diễn quan hệ giữa 𝑃𝑐 và x

5.3.2 Loại lực - cân bằng (Force - balance)

Trong bộ điều khiển lực - cân bằng, dùng một bản chắn, một vòi phun và lỗ giới hạn Trong hình bên dưới, vòi phun nằm ở khoang dưới cùng, màng ngay sát vòi phun chính là bản chắn

Sơ đồ bộ điều khiển khí tỷ lệ kiểu lực - cân bằng

Nguyên lý hoạt động như sau: nguồn khí 1.4 bar được cấp qua lỗ giới hạn, tạo nên một

áp suất thấp ở khoang dưới cùng, khí trong khoang này thoát ra môi trường qua vòi phun, lưu lượng khí qua vòi phun phụ thuộc vào khe hẹp giữa vòi phun và bản chắn Khi áp suất khí vào Pr tăng, trong khi áp suất ra Po giữ nguyên làm cho ti van dịch chuyển xuống giảm khe giữa vòi phun và bản chắn, làm cho ti van dịch chuyển xuống giảm khe hẹp giữa vòi phun và bản chắn, làm cho áp suất điều khiển Pc tăng

5.4 Van tác động khí

Một đặc điểm của hệ thống điều khiển khí là hầu hết chúng điều khiển lên van tác động khí Van tác động khí có thể cung cấp một công suất ra lớn (vì các cơ cấu khí thường yêu cầu một công suất vào lớn nếu có thể) Trong các van tác động khí trong thực tế, đặc tính của van

có thể không tuyến tính, vì thế lưu lượng có thể không tuyến tính với vị trí của ti van Và cũng

có thể có ảnh hưởng phi tuyến khác như tạo ra vòng trễ

Nguyên lý van tác động khí

a - Van thường mở (normally open); b - Van thường đóng (normally closed)

Áp suất khí điều khiển tiêu chuẩn cho loại van tác động này khoảng từ 3 đến 15 psig Khoảng dịch chuyển của ti van vào khoảng vài mm Nếu cần hành trình dài hơn thì dùng 1 tổ hợp lò xo - piston

Trong van tác động khí thì lực ma sát tĩnh phải được giới hạn ở một giá trị thấp sao cho không tồn tại vòng trễ Do khả năng nén của khí cho nên tác động điều khiển có thể không dương, tức là có thể có những sai lệch nằm ngoài vùng dịch chuyển của ti van Việc sử dụng một bộ định vị van cho phép cải tiến hạn chế trên của van tác động khí

5.5 Bộ điều khiển vi phân và tích phân

5.5.1 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (PD - proportional - derivate controller)

(a) Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân;

(b) Thay đổi bước e và sự thay đổi tương ứng của x, 𝑝𝑐;

(c) Sơ đồ khối của bộ điều khiển

Bộ điều khiển này được vẽ trên hình a Giả thiết rằng sai lệch cơ cấu chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ, tức là sự thay đổi của khoảng cách vòi phun - bản chắn, của áp suất điều khiển nhỏ

Chúng ta có thể tóm tắt sự hoạt động của bộ điều khiển như sau: đầu tiên, ta giả sử có sự thay đổi nhỏ kiểu bước của e, khi đó sẽ có một sự thay đổi tức thì của áp suất điều khiển pc

Bộ giới hạn R cản trở hộp xếp phản hồi từ cảm nhận thay đổi áp suất pc Vì thế hộp xếp phản hồi không thể đáp ứng kịp thời và van tác động khí sẽ cảm nhận đầy đủ ảnh hưởng của dịch chuyển bản chắn

Sau một khoảng thời gian, hộp xếp phản hồi sẽ giãn ra hoặc bị nén lại Sự thay đổi của khoảng cách vòi phun - bản chắn x và sự thay đổi của áp suất điều khiển pc có thể vẽ theo thời gian như trên hình b Ở trạng thái ổn định, hộp xếp phản hồi tác động như một cơ cấu phản hồi thông thường Đường cong pc(t) chứng minh rằng bộ điều khiển là tỷ lệ - vi phân Phương trình của bộ điều khiển này có thể rút ra như sau: khi sai lệch tác động là e = 0 thì tồn tại trạng thái cân bằng với khoảng cách vòi phun bản chắn là X̅, khoảng cách dịch chuyển của hộp xếp là Y̅, áp suất vòi phun là P̅b, và áp suất điều khiển là P̅c Khi xuất hiện sai

lệch cơ cấu thì khoảng cách vòi phun bản chắn, khoảng dịch chuyển của hộp xếp, áp suất vòi phun và áp suất điều khiển lệch khỏi vị trí cân bằng Ta gọi các độ lệch này tương ứng là x, y,

pb, pc Chiều dương của các biến này được chỉ bằng mũi tên trên hình vẽ

Sơ đồ khối tương ứng của bộ điều khiển này được vẽ trên hình c, trong đó K là một hằng

số, A là diện tích hộp xếp, ks là hằng số lò xo tương đương của hộp xếp

Chú ý rằng, nếu van phản hồi mở hết thì tác động điều khiển trở thành tỷ lệ, còn nếu van đóng hết thì tác động điều khiển trở thành bộ điều khiển dải hẹp (ON/OFF)

5.5.2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI - proportional - integral controller)

(a) Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (b) Thay đổi bước e và sự thay đổi tương ứng của x, 𝑝𝑐(c) Sơ đồ khối của bộ điều khiển; (d) Sơ đồ khối đơn giản

Vòi phun - bản chắn, quan hệ tuyến tính:

𝑝𝑐 = 𝐾 x

Với hộp xếp thứ I (phía bên trái): Khi hoạt động, hộp xếp dịch chuyển đoạn yI, ta có:

𝐴𝑝𝑐 = 𝑘𝑠𝑦𝐼Với hộp xếp thứ II (phía bên phải): Khi hoạt động, hộp xếp dịch chuyển đoạn yII, ta có:

𝐴𝑝𝐼𝐼 = 𝑘𝑠𝑦𝐼𝐼Qua bộ giới hạn:

𝐶𝑑𝑝𝐼𝐼

𝑑𝑡 =

𝑝𝑐− 𝑝𝐼𝐼𝑅Hộp xếp dịch chuyển một đoạn:

𝑦 = 𝑦𝐼− 𝑦𝐼𝐼Khoảng dịch chuyển giữa vòi phun và bản chắn:

x = 𝑏𝑒

𝑎 + 𝑏−

𝑎𝑦

𝑎 + 𝑏

Biến đổi Laplace các phương trình trên, ta có:

𝑃𝑐(𝑠) = 𝐾𝑋(𝑠)

𝐴𝑃𝑐(𝑠) = 𝑘𝑠𝑌𝐼(𝑠)

𝐴𝑃𝐼𝐼(𝑠) = 𝑘𝑠𝑌𝐼𝐼(𝑠) (𝑅𝐶𝑠+ 1)𝑃𝐼𝐼(𝑠) = 𝑃𝑐(𝑠)

𝐴𝑃𝑐(𝑠) = 𝑘𝑠𝑌𝐼(𝑠) 𝑌(𝑠) = 𝑌𝐼(𝑠) − 𝑌𝐼𝐼(𝑠) 𝑋(𝑠) = 𝑏

𝑎 + 𝑏𝐸(𝑠) −

𝑎

𝑎 + 𝑏𝑌(𝑠)

Từ các phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ khối như hình c

5.5.3 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi - phân - tích phân (PID - proportional - integral -

𝑝𝑐(𝑠) = 𝐾𝑋(𝑠) (𝑅𝑑𝐶𝑠 + 1)𝑃𝐼(𝑠) = 𝑃𝑐(𝑠)

𝐴𝑃𝐼(𝑠) = 𝑘𝑠𝑌𝐼(𝑠) (𝑅𝑖𝐶𝑠+ 1)𝑃𝐼𝐼(𝑠) = 𝑃𝑐(𝑠)

𝐴𝑃𝐼𝐼(𝑠) = 𝑘𝑠𝑌𝐼𝐼(𝑠) 𝑌(𝑠) = 𝑌𝐼(𝑠) − 𝑌𝐼𝐼(𝑠) 𝑋(𝑠) = 𝑏

(a) Bộ điều khiển 𝑃𝐼𝐷; (b) Sơ đồ khối bộ điều khiển

CHƯƠNG 6 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG THỦY LỰC

6.1 Khái niệm chung về hệ thống thủy lực

− Thủy lực là một công nghệ về điều khiển và truyền năng lượng thông qua dầu áp lực

− Công chất trong hệ thống thủy lực có thể là nước, dầu, thậm chí cả xăng nhẹ Ngày nay, dầu thủy lực được sử dụng rộng rãi

− Có 2 loại hệ thống thủy lực khác nhau:

+ Hệ thống vận chuyển có nhiệm vụ phân phối dầu từ nơi này đến nơi khác

+ Hệ thống lực được thiết kế để thực hiện một công việc nhất định

Hệ thống thủy lực

6.2 Hệ thống thủy lực là gì?

Hệ thống thuỷ lực là dạng truyền động dùng dầu thủy lực tạo ra áp lực được sử dụng

nhiều trong ngành chế tạo máy, cơ giới, hàng không, tàu thủy và các ứng dụng khác trong công nghiệp lắp ráp

Hệ thống thủy lực.

CHƯƠNG 7 NGUỒN THỦY LỰC VÀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THỦY LỰC

7.1 Bơm thủy lực

7.1.1 Bơm bánh răng

7.1.1.1 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Khi bơm làm việc, bánh răng chủ động quay, kéo bánh răng bị động quay; chất lỏng chứa đầy trong các rãnh giữa các răng ngoài vùng ăn khớp được chuyển từ bọng hút qua bọng đẩy vòng theo vỏ bơm Vì thể tích chứa chất lỏng trong bọng đẩy giảm khi các răng của hai bánh răng ăn khớp, nên chất lỏng bị chèn ép và dồn vào ống đẩy với áp suất cao

7.1.1.2 Bơm bánh răng ăn khớp trong

Bơm bánh răng ăn khớp trong

Quá trình hút và đẩy trong bơm: Động cơ sơ cấp thông qua trục bánh răng 4 dẫn động cho bánh răng 5 quay theo chiều như hình vẽ Lực được cấp đến cả hai bánh răng, sự di chuyển của bánh răng kéo dầu từ cửa hút (S) và kéo dầu vòng theo hai mặt của bản chắn hình lưỡi liềm Khi bánh răng trên bề mặt đối nhau với lưỡi chắn hình lưỡi liềm, dầu thủy lực được đẩy vào của xả (P) của bơm

7.1.2 Bơm cánh gạt

7.1.2.1 Bơm cánh gạt đơn

Bơm cánh gạt đơn chỉ có 1 khoang làm việc khi khi stator và rotor có sự chuyển động tương đối với nhau Với bơm cánh gạt đơn có thể phân thành 3 loại tùy theo khả năng điều khiển lưu lượng dầu qua bơm như sau:

− Bơm cánh gạt lưu lượng không đổi (fix displacement)

− Bơm cánh gạt điều chỉnh lưu lượng trực tiếp (variable displacement)

− Bơm cánh gạt điều khiển lưu lượng tự động (pilot operated)

7.1.2.2 Bơm cánh gạt kép

Cũng tương tự như bơm bánh răng, ở bơm cánh gạt, để tăng áp suất, người ta dùng nhiều cấp có nhiều rotor lắp trên cùng một trục Còn để tăng lưu lượng, người ta chế tạo bơm cánh gạt kép Loại này thực chất là 2 bơm cánh gạt gắn đồng trục Chúng có cùng cửa hút nhưng cửa đầy thì riêng biệt

Bơm cánh gạt kép

7.1.3 Bơm trục vít

Khi trục vít chủ động quay, kéo theo trục vít bị động quay theo Chất lỏng chứa trong rãnh ren của các trục vít, được hình dung như các “đai ốc chất lỏng”, chuyển động tịnh tiến quay từ miệng hút đến miệng đẩy Sự ăn khớp của hai trục vít có tác dụng làm kín và đẩy “đai

ốc chất lỏng” chuyển động

Bơm trục vít

7.1.4 Bơm piston hướng trục

Sự tịnh tiến tới lui của các piston được điều khiển bởi tấm đĩa nghiêng gắn lệch một góc trên trục truyền động Khi trục quay, khối xy-lanh quay theo, tấm đế của piston tì vào tấm điều khiển các piston sẽ chuyển động tịnh tiến trong các xy-lanh

7.1.4.2 Bơm piston hướng kính

Bơm piston hướng kính

Về cơ bản, bơm gồm các chi tiết chính sau: thân bơm (1), trục lệch tâm (2), trục piston

và xy-lanh (3), van hút (4), van xả (5) và piston (6) Khi piston 6 chuyển động hướng xuống, thì khoang làm việc (10) mở rộng trong xy-lanh Áp suất trong khoang giảm làm cho van hút

mở ra Đồng thời, đường nối cửa hút (12) thông với khoang làm việc (10) mở ra nhờ rãnh hướng kính (11) trong trục lệch tâm (2) Khoang làm việc lúc này đã chứa đầy dầu Và khi

piston chuyển động lên, van hút (4) đóng lại và van xả (5) mở ra Dầu áp lực cao lúc này chuyển qua cửa ra (P)

7.1.5 Bơm con lăn ống mềm

Trong quá trình làm việc, bơm thực hiện ba quá trình: hút, vận chuyển và đẩy chất lỏng Lưu lượng của bơm thay đổi theo đường kính ống và vận tốc quay của rotor

(a): Quá trình hút: Dưới tác dụng của con lăn, ống mềm bị nén và bịt lại Phía sau con lăn, ống mềm đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu tạo nên thể tích chân không hút chất lỏng

(b): Quá trình vận chuyển: Dưới tác dụng quay của con lăn, thể tích chất lỏng chứa giữa hai con lăn được vận chuyển trong ống từ khoang hút đến khoang đẩy

(c): Quá trình đẩy: Dưới sức nén của con lăn thứ hai, chất lỏng được đẩy ra kênh

7.1.6 Bơm màng

Bơm màng là một loại bơm có nguyên lý hút đẩy kiểu piston đơn trong đó người ta thay thế piston bằng màng

(a) Hành trình qua phải (right stroke);

(b) Hành trình đến điểm giữa (mid stroke); (c) Hành trình qua trái (left stroke).

7.2 Đường ống thủy lực và co nối

Ống dẫn trong hệ thống thủy lực cho phép dòng thủy lực đi từ két chứa đến cơ cấu vận hành

7.2.1 Két chứa dầu (oil tank)

Két chứa dầu trong hệ thống thủy lực đáp ứng một số chức năng chính sau:

− Nhận và chứa dầu thủy lực cung cấp cho hoạt động của hệ thống

− Tản nhiệt cho dầu khi hoạt động

− Tách khí, chất bẩn, nước, … lẫn trong dầu

− Hỗ trợ lắp các thiết bị phụ trợ khác như: van điều khiển, van điều chỉnh, đồng hồ đo, bơm, động cơ, …

Két chứa dầu

7.2.2 Bộ lọc dầu (oil filter)

Nhiệm vụ của bộ lọc dầu là làm giảm chất bẩn trong dầu thủy lực đến mức thấp nhất có thể

7.2.3 Bộ làm mát dầu (oil cooler)

Một số loại thiết bị làm mát được sử dụng cho dầu thủy lực:

− Bộ làm mát bằng không khí: dầu chảy qua ống và được làm mát tự nhiên hoặc làm mát bằng quạt gió

− Bộ làm mát bằng nước: ống dầu chạy qua hệ thống nước làm mát

Bộ làm mát dầu

7.2.4 Bộ sấy dầu (oil heater)

Bộ sấy dầu thực chất là các điện trở sấy, có chức năng giữ cho nhiệt độ làm việc của dầu thủy lực nằm trong phạm vi hoạt động tối ưu

Bộ sấy dầu