Giáo trình Hệ thống thủy lực và khí nén

121 trang ngocly 1100

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống thủy lực và khí nén", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_he_thong_thuy_luc_va_khi_nen.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hệ thống thủy lực và khí nén

Mục lục Trang Phần 1 : hệ thống thủy lực 6 Ch−ơng 1 : cơ sở lý thuyết 6 1.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ thủy lực 6 1.2. Những −u điểm và nh−ợc điểm của hệ thống điều khiển bằng thủy lực.6 1.1.1. Ưu điểm 6 1.1.2. Nh−ợc điểm 6 1.3. Định luật của chất lỏng 6 1.2.1. áp suất thủy tỉnh 7 1.2.2. Ph−ơng trình dòng chảy 7 1.2.3. Ph−ơng trình Bernulli 7 1.4. Đơn vị đo các đại l−ợng cơ bản 8 1.3.1. áp suất (p) 8 1.3.2. Vận tốc (v) 8 1.3.3. Thể tích và l−u l−ợng 8 1.3.4. Lực (F) 9 1.3.5. Công suất (N) 9 1.5. Các dạng năng l−ợng 9 1.5.1. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến 9 1.5.2. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay 10 1.6. Tổn thất trong hệ thống truyền động bằng thủy lực 11 1.7. Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 15 Ch−ơng 2 : cơ cấu biến đổi năng l−ợng và hệ thống xử lý dầu 17 2.1. Bơm dầu và động cơ dầu 17 2.1.1. Nguyên lý chuyển đổi năng l−ợng 17 2.1.2. Các đại l−ợng đặc tr−ng 17 2.1.3. Công thức tính toán bơm và động cơ dầu 19 2.1.4. Các loại bơm 20 2.1.5. Bơm bánh răng 20 2.1.6. Bơm trục vít 22 2.1.7. Bơm cánh gạt 23 2.1.8. Bơm pittông 24 2.1.9. Tiêu chuẩn chọn bơm 27 1
2.2. Xilanh truyền động (cơ cấu chấp hành) 27 2.2.1. Nhiệm vụ 27 2.2.2. Phân loại 27 2.2.3. Cấu tạo xilanh 29 2.2.4. Một số xilanh thông dụng 30 2.2.5. Tính toán xilanh truyền lực 30 2.3. Bể dầu 32 2.3.1. Nhiệm vụ 32 2.3.2. Chọn kích th−ớc bể dầu 32 2.3.3. Kết cấu của bể dầu 32 2.4. Bộ lộc dầu 33 2.4.1. Nhiệm vụ 33 2.4.2. Phân loại theo kích th−ớc lọc 33 2.4.3. Phân loại theo kết cấu 34 2.4.4. Cách lắp bộ lọc trong hệ thống 35 2.5. Đo áp suất và l−u l−ợng 36 2.5.1. Đo áp suất 36 2.5.2. Đo l−u l−ợng 36 2.6. Bình trích chứa 37 2.6.1. Nhiệm vụ 37 2.6.2. Phân loại 37 Ch−ơng 3 : các phần tử của hệ thống điều khiển bằng thủy lực 41 3.1. Khái niệm 41 3.1.1. Hệ thống điều khiển 41 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực 41 3.2. Van áp suất 42 3.2.1. Nhiệm vụ 42 3.2.2. Phân loại 42 3.2.2.1. Van tràn và van an toàn 42 3.2.2.2. Van giảm áp 44 3.2.2.3. Van cản 46 3.2.2.4. Rơle áp suất 46 3.3. Van đảo chiều 46 3.3.1. Nhiệm vụ 46 3.3.2. Các khái niệm 46 3.3.3. Nguyên lý làm việc 47 3.3.4. Các loại tín hiệu tác động 48 2
3.3.5. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều 49 3.4. Các loại van điện thủy lực ứng dụng trong mạch điều khiển tự động 49 3.4.1. Phân loại 49 3.4.2. Công dụng 50 3.4.3. Van solenoid 50 3.4.4. Van tỷ lệ 51 3.4.3. Van servo 52 3.5. Cơ cấu chỉnh l−u l−ợng 58 3.5.1. Van tiết l−u 58 3.5.2. Bộ ổn tốc 60 3.6. Van chặn 62 3.6.1. Van một chiều 62 3.6.2. Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn 64 3.6.3. Van tác động khóa lẫn 64 3.7. ống dẫn, ống nối 65 3.7.1. ống dẫn 65 3.7.2. Các loại ống nối 66 3.7.3. Vòng chắn 66 Ch−ơng 4 : điều chỉnh và ổn định vận tốc 68 4.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u 68 4.1.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào 68 4.1.2. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 69 4.2. Điều chỉnh bằng thể tích 70 4.3. ổn định vận tốc 71 4.3.1. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng vào của cơ cấu chấp hành 72 4.3.2. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành 73 4.3.3. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u 73 Ch−ơng 5 : ứng dụng và thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 76 5.1. ứng dụng truyền động thủy lực 76 5.2. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 81 Phần 2 : hệ thống khí nén 92 Ch−ơng 6 : cơ sở lý thuyết 92 3
6.1. Lịch lử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ khí nén 92 6.1.1. Lịch sử phát triển 92 6.1.2. Khả năng ứng dụng của khí nén 92 6.2. Những −u điểm và nh−ợc điểm của HTTĐ bằng khí nén 93 6.2.1. Ưu điểm 93 6.2.2. Nh−ợc điểm 93 6.3. Nguyên lý truyền động 93 6.4. Sơ đồ nguyên lý truyền động 94 6.5. Đơn vị đo các đại l−ợng cơ bản 94 Ch−ơng 7 : các phần tử khí nén và điện khí nén 96 7.1. Cơ cấu chấp hành 96 7.2. Van đảo chiều 97 7.2.1. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 97 7.2.2. Ký hiệu van đảo chiều 97 7.2.3. Các tín hiệu tác động 98 7.2.4. Van đảo chiều có vị trí “0” 100 7.2.5. Van đảo chiều không có vị trí “0” 102 7.3. Van chặn 103 7.3.1. Van một chiều 104 7.3.2. Van logic 104 7.3.3. Van OR 104 7.3.4. Van AND 104 7.3.5. Van xả khí nhanh 104 7.4. Van tiết l−u 104 7.4.1. Van tiết l−u có tiết diện không thay đổi 104 7.4.2. Van tiết l−u có tiết diện thay đổi 105 7.4.3. Van tiết l−u một chiều 105 7.5. Van điều chỉnh thời gian 105 7.5.1. Rơle thời gian đóng chậm 105 7.5.2. Rơle thời gian ngắt chậm 105 7.6. Van chân không 105 7.7. Cảm biến bằng tia 106 7.7.1. Cảm biến bằng tia rẽ nhánh 106 7.7.2. Cảm biến bằng tia phản hồi 106 7.7.3. Cảm biến bằng tia qua khe hở 107 Ch−ơng 8 : hệ thống điều khiển khí nén và điện khí nén 108 4
8.1. Hệ thống điều khiển khí nén 108 8.1.1. Biểu đồ trạng thái 108 8.1.2. Các ph−ơng pháp điều khiển 108 a. Điều khiển bằng tay 108 b. Điều khiển theo thời gian 110 c. Điều khiển theo hành trình 112 d. Điều khiển theo tầng 113 e. Điều khiển theo nhịp 115 8.2. Hệ thống điều khiển điện khí nén 117 8.2.1. Các phần tử điện 117 8.2.2. Mạch điều khiển khí nén 118 a. Mạch điều khiển có tiếp điểm tự duy trì 118 b. Mạch điều khiển có rơle thời gian tác động chậm 119 c. Mạch điều khiển theo nhịp có hai xilanh khí nén 120 Tài liệu tham khảo 121 5
Phần 1: hệ thống thủy lực Ch−ơng 1: cơ sỡ lý thuyết 1.1. lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động thủy lực +/ 1920 đã ứng dụng trong lĩnh vực máy công cụ. +/ 1925 ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nh−: nông nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, giao thông vận tải, hàng không, +/ 1960 đến nay ứng dụng trong tự động hóa thiết bị và dây chuyền thiết bị với trình độ cao, có khả năng điều khiển bằng máy tính hệ thống truyền động thủy lực với công suất lớn. 1.2. những −u điểm và nh−ợc điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực 1.1.1. Ưu điểm +/ Truyền động đ−ợc công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu t−ơng đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nh−ng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo d−ỡng). +/ Điều chỉnh đ−ợc vận tốc làm việc tinh và vô cấp, (dễ thực hiện tự động hoá theo điều kiện làm việc hay theo ch−ơng trình có sẵn). +/ Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau. +/ Có khả năng giảm khối l−ợng và kích th−ớc nhờ chọn áp suất thủy lực cao. +/ Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh (nh− trong cơ khí và điện). +/ Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. +/ Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn. +/ Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch. +/ Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hoá. 1.1.2. Nh−ợc điểm +/ Mất mát trong đ−ờng ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng. +/ Khó giữ đ−ợc vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén đ−ợc của chất lỏng và tính đàn hồi của đ−ờng ống dẫn. +/ Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống ch−a ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi. 1.3. định luật của chất lỏng 6
1.2.1. áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng l−ợng và ngoại lực) tác dụng lên mỗi phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa. A p b F F1 a L c A1 l1 h pF p pF s l2 F2 A2 Hình 1.1. áp suất thủy tĩnh Ta có: Hình a: pS = h.g.ρ + pL (1.1) F Hình b: p = (1.2) F A F1 F2 l2 A2 F1 Hình c: = pF = và = = (1.3) A1 A2 l1 A1 F2 Trong đó: ρ- khối l−ợng riêng của chất lỏng; h- chiều cao của cột n−ớc; g- gia tốc trọng tr−ờng; pS- áp suất do lực trọng tr−ờng; pL- áp suất khí quyển; pF- áp suất của tải trọng ngoài; A, A1, A2- diện tích bề mặt tiếp xúc; F- tải trọng ngoài. 1.2.2. Ph−ơng trình dòng chảy liên tục L−u l−ợng (Q) chảy trong đ−ờng ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi (const). L−u l−ợng Q của chất lỏng qua mặt cắt A của ống bằng nhau trong toàn ống (điều kiện liên tục). A2 Ta có ph−ơng trình dòng chảy nh− sau: Q = A.v = hằng số (const) (1.4) Với v là vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A. Nếu tiết diện chảy là hình tròn, ta có: A1 v 1 v Q1 = Q2 hay v1.A1 = v2.A2 (1.5) 2 d2 .π d2 ⇔ v . 1 = v . 2 1 4 2 4 Vận tốc chảy tại vị trí 2: 2 1 2 d1 Hình 1.2. Dòng chảy liên tục v 2 = v1. 2 (1.6) d 2 7
Trong đó: 3 2 Q1[m /s], v1[m/s], A1[m ], d1[m] lần l−ợt là l−u l−ợng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đ−ờng kính ống tại vị trí 1; 3 2 Q2[m /s], v2[m/s], A2[m ], d2[m] lần l−ợt là l−u l−ợng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đ−ờng kính ống tại vị trí 2. 1.2.3. Ph−ơng trình Bernulli Theo hình 1.3 ta có áp suất tại một điểm chất lỏng đang chảy: ρ.v 2 ρ.v 2 p + ρ.g.h + 1 = p + ρ.g.h + 2 = const (1.7) 1 1 2 2 2 2 Trong đó: p1 p1 + ρ.g.h1 ⎫ ⎬ áp suất thủy tỉnh; v1 p + ρ.g.h 2 2 ⎭ p h 2 2 2 1 ρ.v1 ρ.v 2 , : áp suất thủy động; v2 2 2 h2 γ = ρ.g : trọng l−ợng riêng. Hình 1.3. Ph−ơng trình Bernulli 1.4. Đơn vị đo các đại l−ợng cơ bản (Hệ mét) 1.3.1. áp suất (p) Theo đơn vị đo l−ờng SI là Pascal (pa) 2 -1 -2 2 1pa = 1N/m = 1m kgs = 1kg/ms Đơn vị này khá nhỏ, nên ng−ời ta th−ờng dùng đơn vị: N/mm2, N/cm2 và so với đơn vị áp suất củ là kg/cm2 thì nó có mối liên hệ nh− sau: 1kg/cm2 ≈ 0.1N/mm2 = 10N/cm2 = 105N/m2 (Trị số chính xác: 1kg/cm2 = 9,8N/cm2; nh−ng để dàng tính toán, ta lấy 1kg/cm2 = 10N/cm2). Ngoài ra ta còn dùng: 1bar = 105N/m2 = 1kg/cm2 1at = 9,81.104N/m2 ≈ 105N/m2 = 1bar. (Theo DIN- tiêu chuẩn Cộng hòa Liên bang Đức thì 1kp/cm2 = 0,980665bar ≈ 0,981bar; 1bar ≈ 1,02kp/cm2. Đơn vị kG/cm2 t−ơng đ−ơng kp/cm2). 1.3.2. Vận tốc (v) Đơn vị vận tốc là m/s (cm/s). 1.3.2. Thể tích và l−u l−ợng a. Thể tích (V): m3 hoặc lít(l) b. L−u l−ợng (Q): m3/phút hoặc l/phút. Trong cơ cấu biến đổi năng l−ợng dầu ép (bơm dầu, động cơ dầu) cũng có thể dùng đơn vị là m3/vòng hoặc l/vòng. 8
1.3.4. Lực (F) Đơn vị lực là Newton (N) 1N = 1kg.m/s2. 1.3.5. Công suất (N) Đơn vị công suất là Watt (W) 1W = 1Nm/s = 1m2.kg/s3. 1.5. Các dạng năng l−ợng +/ Mang năng l−ợng: dầu. +/ Truyền năng l−ợng: ống dẫn, đầu nối. +/ Tạo ra năng l−ợng hoặc chuyển đổi thành năng l−ợng khác: bơm, động cơ dầu(mô tơ thủy lực), xilanh truyền lực. 1.5.1. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến A1 Fs A2 x1, v1 tải 5 d m D F Q Q t p 1 2 p 1 2 F c 4 3 pT p 2 0 6 Qb 1 Hình 1.4. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến Tính toán sơ bộ: +/ Thông số của cơ cấu chấp hành: Ft và v(v1, v2) Chuyển động tịnh tiến (hành trình làm việc) A1 A2 x1, v1 d m D Ft Q1, p1 Q2, p2≈0 +/ Các ph−ơng trình: L−u l−ợng: Q1 = A1.v1 (1.8) Q2 = A2.v1 Lực: Ft = p1.A1 (1.9) 9
F .v 1 Công suất của cơ cấu chấp hành: N = t []kW (1.10) 60.103 p .Q Công suất thủy lực: N = 1 1 []kW (1.11) 60.103 Nếu bỏ qua tổn thất từ bơm đến cơ cấu chấp hành thì N ≈ Nbơm Nếu tính đến tổn thất thì N N = N = (η = 0,6 ữ 0,8) (1.12) đcơ điện η Chuyển động lùi về (hành trình chạy không) A1 A2 x , v 2 2 d m D F ' ' c Q2 , p2 ≈ 0 Q1, p2 Nếu tải Ft = 0 ⇒ p2 chỉ thắng ma sát p2.A2 ≥ Fc L−u l−ợng: Q1 = A2.v2 (1.13) ' Q2 = A1.v2 ≠ Q2 Do A1 > A2 ⇒ v2 > v1 1.5.2. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay Mx Ω tải J θ Q Q nđ, Dm p p p T p Q b Hình 1.5. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay 10
M .Ω Công suất của cơ cấu chấp hành: N = x (M = p.D ) (1.14) 102 x m M .2π.n M .n hoặc N = x = x [kW] 102.60 975 p .Q Công suất thủy lực: N = 1 [kW] (Q = D .Ω) (1.15) 60.103 m 1.6. Tổn thất trong hệ thống truyền động bằng thủy lực Trong hệ thống thủy lực có các loại tổn thất sau: 1.6.1. 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 l−ợng (bơm dầu, động cơ dầu, xilanh truyền lực) Đối với bơm dầu: tổn thất thể tích đ−ợc thể hiện bằng hiệu suất sau: ηtb = Q/Q0 (1.16) Q- L−u l−ợng thực tế của bơm dầu; Q0- L−u l−ợng danh nghĩa của bơm. Nếu l−u l−ợng chảy qua động cơ dầu là Q0đ và l−u l−ợng thực tế Qđ = qđ.ηđ thì hiệu suất của đông cơ dầu là: ηtđ = Q0đ/Qđ (1.17) Nếu nh− không kể đến l−ợng dầu dò ở các mối nối, ở các van thì tổn thất trong hệ thống dầu ép có bơm dầu và động cơ dầu là: ηt = ηtb. ηtđ (1.18) 1.6.2. Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động t−ơng đối ở trong bơm dầu và động cơ dầu gây nên. Tổn thất cơ khí của bơm đ−ợc biểu thị bằng hiệu suất cơ khí: ηcb = N0/N (1.19) N0- Công suất cần thiết để quay bơm (công suất danh nghĩa), tức là công suất cần thiết để đảm bảo l−u l−ợng Q và áp suất p của dầu, do đó: p.Q N0 = (kW) (1.20) 6.104 N- Công suất thực tế đo đ−ợc trên trục của bơm (do mômen xoắn trên trục). 4 Đối với dầu: N0đ = (p.Qđ)/6.10 (1.21) Do đó: ηcđ = Nđ/N0đ (1.22) 11
Từ đó, tổn thất cơ khí của hệ thống thủy lực là: ηc = ηcb. ηcđ (1.23) 1.6.3. Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đ−ờng chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành (động cơ đầu, xilanh truyền lực). Tổn thất này phụ thuộc vào các yếu tố sau: +/ Chiều dài ống dẫn +/ Độ nhẵn thành ống +/ Độ lớn tiết diện ống dẫn +/ Tốc độ chảy +/ Sự thay đổi tiết diện +/ Sự thay đổi h−ớng chuyển động +/ Trọng l−ợng riêng, độ nhớt. Nếu p0 là áp suất của hệ thống, p1 là áp suất ra, thì tổn thất đ−ợc biểu thị bằng hiệu suất: p0 − p1 ∆p ηa = = (1.24) p0 p0 Hiệu áp ∆p là trị số tổn thất áp suất. Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ gây nên đ−ợc tính theo công thức sau: ρ l ⎡ N ⎤ ρ l ∆p = 10.ξ. .v 2 . = 10−4.ξ. .v 2 . bar (1.25) ⎢ 2 ⎥ [] 2g d ⎣m ⎦ 2g d Trong đó: ρ- khối l−ợng riêng của dầu (914kg/m3); g- gia tốc trọng tr−ờng (9,81m/s2); v- vận tốc trung bình của dầu (m/s); ξ- hệ số tổn thất cục bộ; l- chiều dài ống dẫn; d- đ−ờng kính ống. 1.6.4. ảnh h−ởng các thông số hình học đến tổn thất áp suất a. Tiết diện dạng tròn Nếu ta gọi: ∆p- Tổn thất áp suất; l l- Chiều dài ống dẫn; ρ- Khối l−ợng riêng của chất lỏng; Q D Q- L−u l−ợng; D- Đ−ờng kính; ν- Độ nhớt động học; Hình 1.6. Dạng tiết diện tròn λ- Hệ số ma sát của ống; 12
λLAM- Hệ số ma sát đối với chảy tầng; λTURB- Hệ số ma sát đối với chảy rối. Chảy tầng Chảy rối 8 l.ρ.Q2 ⇒ Tổn thất: ∆p = .λ. π2 D5 256 D.ν λ = λ - . LAM π Q 0,316 λ = λTURB. Chảy rối 4 Q 4 . π D.ν Chảy tầng 4 Q Số Reynold: . > 3000. Hình 1.7. Chảy tầng và chảy rối π D.ν trong ống dẫn b. Tiết diện thay đổi lớn đột ngột 2 ⎛ D2 ⎞ 8 ρ.Q2 Tổn thất: ∆p = ⎜1− 1 ⎟ . . ⎜ 2 ⎟ 2 4 D1 Q D2 ⎝ D2 ⎠ π D1 Trong đó: D1- đ−ờng kính ống dẫn vào; Hình 1.8. Tiết diện thay đổi lớn đột ngột D2- đ−ờng kính ống dẫn ra. c. Tiết diện nhỏ đột ngột ⎛ D2 ⎞ 8 ρ.Q2 Tổn thất: ∆p = 0,5.⎜1− 2 ⎟. . ⎜ 2 ⎟ 2 4 Q ⎝ D1 ⎠ π D1 D1 D2 D1- Đ−ờng kính ống dẫn ra; D2- Đ−ờng kính ống dẫn vào. Hình 1.9. Tiết diện nhỏ đột ngột d. Tiết diện thay đổi lớn từ từ ⎛ D 4 ⎞ 8 ρ.Q2 Tổn thất: ∆p = 0,12 ữ 0,2 ⎜1− 1 ⎟. . []⎜ 4 ⎟ 2 4 ⎝ D2 ⎠ π D1 0 Q α < 8 D D1 2 Hình 1.10. Tiết diện thay đổi lớn từ từ d. Tiết diện nhỏ từ từ Tổn thất: ∆p = 0 Q 0 α < 8 Hình 1.11. Tiết diện nhỏ từ từ 13
f. Vào ống dẫn Tổn thất áp suất đ−ợc tính theo công thức sau: 8 ρ.Q2 ∆p = ξ . . E π2 D 4 Trong đó hệ số thất thoát ξE đ−ợc chia thành hai tr−ờng hợp nh− ở bảng sau: Cạnh Hệ số thất thoát ξE Sắc 0,5 a Gãy khúc 0,25 Tròn 0,06 b Có tr−ớc 3000 π D.ν h. ống dẫn gãy khúc D Q R ≈ 4 α D 8 ρ.Q2 ∆p = ξ . . U π2 D 4 Góc α, β Hệ số thất thoát ξU Q α = 20 0,06 D α = 40 0,2 β α = 60 0,47 R β = 20 0,04 Hình 1.14. ống dẫn gãy khúc 14
β = 40 0,07 β = 60 0,1 β = 80 0,11 0,11 β = 90 i. Tổn thất áp suất ở van k. Tổn thất trong hệ thống thủy lực 1.7. độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 1.7.1. Độ nhớt Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của chất lỏng. Độ nhớt xác định ma sát trong bản thân chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng tr−ợt hoặc biến dạng cắt của chất lỏng. Có hai loại độ nhớt: a. Độ nhớt động lực Độ nhớt động lực η 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 η đ−ợc tính bằng [Pa.s]. Ngoài ra, ng−ời ta còn dùng đơn vị poazơ (Poiseuille), viết tắt là P. 1P = 0,1N.s/m2 = 0,010193kG.s/m2 1P = 100cP (centipoiseuilles) Trong tính toán kỹ thuật th−ờng số quy tròn: 1P = 0,0102kG.s/m2 b. Độ nhớt động Độ nhớt động là tỷ số giữa hệ số nhớt động lực η với khối l−ợng riêng ρ của chất lỏng: η ν = (1.26) ρ Đơn vị độ nhớt động là [m2/s]. Ngoài ra, ng−ời ta còn dùng đơn vị stốc ( Stoke), viết tắt là St hoặc centistokes, viết tắt là cSt. 1St = 1cm2/s = 10-4m2/s 1cSt = 10-2St = 1mm2/s. c. Độ nhớt Engler (E0) Độ nhớt Engler (E0) là một tỷ số quy −ớc dùng để so sánh thời gian chảy 200cm3 dầu qua ống dẫn có đ−ờng kính 2,8mm với thời gian chảy của 200cm3 n−ớc cất ở nhiệt 0 0 độ 20 C qua ống dẫn có cùng đ−ờng kính, ký hiệu: E = t/tn Độ nhớt Engler th−ờng đ−ợc đo khi đầu ở nhiệt độ 20, 50, 1000C và ký hiệu t−ơng 0 0 0 ứng với nó: E 20, E 50, E 100. 15
1.7.2. Yêu cầu đối với dầu thủy lực Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất l−ợng 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 lữa, nhiệt độ đông đặc. Chất lỏng làm việc phải đảm bảo 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 đ−ợc khả năng xâm nhập của khí, nh−ng dễ dàng tách khí ra; +/ Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di tr−ợt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhất, cũng nh− tổn thất ma sát ít nhất; +/ Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan trong n−ớc và không khí, dẫn nhiệt tốt, có môđun đàn hồi, hệ số nở nhiệt và khối l−ợng riêng nhỏ. Trong những yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mãn đ−ợc đầy đủ nhất. 16
Ch−ơng 2: cơ cấu biến đổi năng l−ợng và hệ thống xử lý dầu 2.1. bơm và động cơ dầu (mô tơ thủy lực) 2.1.1. Nguyên lý chuyển đổi năng l−ợng Bơm và động cơ dầu là hai thiết bị có chức năng khác nhau. Bơm là thiết bị tạo ra năng l−ợng, còn động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng l−ợng này. Tuy thế kết cấu và ph−ơng pháp tính toán của bơm và động cơ dầu cùng loại giống nhau. a. Bơm dầu: là một cơ cấu biến đổi năng l−ợng, dùng để biến cơ năng thành năng l−ợng của dầu (dòng chất lỏng). Trong hệ thống dầu ép th−ờng chỉ dùng bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi năng l−ợng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc, khi thể tích của buồng làm việc tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút và khi thể tích của buồng giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén. Tuỳ thuộc vào l−ợng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân ra hai loại bơm thể tích: +/ Bơm có l−u l−ợng cố định, gọi tắt là bơm cố định. +/ Bơm có l−u l−ợng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh. Những thông số cơ bản của bơm là l−u l−ợng và áp suất. b. Đông cơ dầu: là thiết bị dùng để biến năng l−ợng của dòng chất lỏng thành động năng quay trên trục động cơ. Quá trình biến đổi năng l−ợng là dầu có áp suất đ−ợc đ−a vào buồng công tác của động cơ. D−ới tác dụng của áp suất, các phần tử của động cơ quay. Những thông số cơ bản của động cơ dầu là l−u l−ợng của 1 vòng quay và hiệu áp suất ở đ−ờng vào và đ−ờng ra. 2.1.2. Các đại l−ợng đặc tr−ng a. Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình) Hình 2.1. Bơm thể tích Nếu ta gọi: V- Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình); 17
A- Diện tích mặt cắt ngang; h- Hành trình pittông; VZL- Thể tích khoảng hở giữa hai răng; Z- Số răng của bánh răng. ở hình 2.1, ta có thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình): V = A.h 1 hành trình (2.1) V ≈ VZL.Z.2 1 vòng (2.2) b. áp suất làm việc áp suất làm việc đ−ợc biểu diễn trên hình 2.2. Trong đó: p t = 6s +/ áp suất ổn định p1; p3 +/ áp suất cao p2; p p2 +/ áp suất đỉnh p (áp suất qua van tràn). 3 p1 t Hình 2.2. Sự thay đổi áp suất làm việc theo thời gian c. Hiệu suất Hiệu suất của bơm hay động cơ dầu phụ thuộc vào các yếu tố sau: +/ Hiệu suất thể tích ηv +/ Hiệu suất cơ và thủy lực ηhm Nh− vậy hiệu suất toàn phần: ηt = ηv. ηhm (2.3) ở hình 2.3, ta có: +/ Công suất động cơ điện: N = M . Ω (2.4) E E E ηh ηh p ηh +/ Công suất của bơm: N = p.Qv (2.5) Nh− vậy ta có công thức sau: ⎧M E N E ⎨ Qv M A ⎫ F⎫ N p.Qv n N N N = = (2.6) ⎩ E ⎬ A ⎬ A E n A ⎭ v ⎭ ηtb ηtb η η +/ Công suất của động cơ dầu: v v ηv NA = MA. ΩA hay NA = ηtMotor.p.Qv (2.7) +/ Công suất của xilanh: Hình 2.3. ảnh h−ởng của hệ số tổn thất đến hiệu suất NA = F.v hay NA = ηtxilanh.p.Qv (2.8) Trong đó: NE, ME, ΩE- công suất, mômen và vận tốc góc trên trục động cơ nối với bơm; NA, MA, ΩA - công suất, mômen và vận tốc góc trên động cơ tải; NA, F, v - công suất, lực và vận tốc pittông; N, p, Qv - công suất, áp suất và l−u l−ợng dòng chảy; ηtxilanh- hiệu suất của xilanh; ηtMotor- hiệu suất của động cơ dầu; 18
ηtb- hiệu suất của bơm dầu. 2.1.3. Công thức tính toán bơm và động cơ dầu a. L−u l−ợng Qv, số vòng quay n và thể tích dầu trong một vòng quay V Ta có: Qv = n.V (2.9) -3 QV QV +/ L−u l−ợng bơm: Qv = n.V. ηv.10 (2.10) n.V −3 n V V n +/ Động cơ dầu: Qv = .10 (2.11) ηv Trong đó: Hình 2.4. L−u l−ợng, số vòng quay, thể tích Qv- l−u l−ợng [lít/phút]; n- số vòng quay [vòng/phút]; V- thể tích dầu/vòng [cm3/vòng]; ηv- hiệu suất [%]. b. áp suất, mômen xoắn, thể tích dầu trong một vòng quay V Theo định luật Pascal, ta có: M p = x (2.12) V M .η áp suất của bơm: p = x hm .10 (2.13) V M áp suất động cơ dầu: p = x .10 (2.14) V.ηhm Trong đó: p p p [bar]; Mx [N.m]; Mx V V Mx V [cm3/vòng]; ηhm [%]. Hình 2.5. áp suất, thể tích, mômen xoắn c. Công suất, áp suất, l−u l−ợng Công suất của bơm tính theo công thức tổng quát là: N = p.Qv (2.15) +/ Công suất để truyền động bơm: p.Q N = v .10−2 (2.16) 6.ηt +/ Công suất truyền động động cơ dầu: p.Q .η N = v t .10−2 (2.17) 6 Trong đó: N [W], [kW]; p [bar], [N/m2]; 3 Qv [lít/phút], [m /s]; ηt [%]. 19
L−u l−ợng của bơm về lý thuyết không phụ thuộc và áp suất (trừ bơm ly tâm), mà chỉ phụ thuộc vào kích th−ớc hình học và vận tốc quay của nó. Nh−ng trong thực tế do sự rò rỉ qua khe hở giữa các khoang hút và khoang đẩy, nên l−u l−ợng thực tế nhỏ hơn l−u l−ợng lý thuyết và giảm dần khi áp suất tăng. Một yếu tố gây mất mát năng l−ợng nữa là hiện t−ợng hỏng. Hiện t−ợng này th−ờng xuất hiện, khi ống hút quá nhỏ hoặc dầu có độ nhớt cao. Khi bộ lọc đặt trên đ−ờng hút bị bẩn, cùng với sự tăng sức cản của dòng chảy, l−u l−ợng của bơm giảm dần, bơm làm việc ngày một ồn và cuối cùng tắc hẳn. Bởi vậy cần phải l−u ý trong lúc lắp ráp làm sao để ống hút to, ngắn và thẳng. 2.1.4. Các loại bơm a. Bơm với l−u l−ợng cố định +/ Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; +/ Bơm bánh răng ăn khớp trong; +/ Bơm pittông h−ớng trục; +/ Bơm trục vít; +/ Bơm pittông dãy; +/ Bơm cánh gạt kép; +/ Bơm rôto. b. Bơm với l−u l−ợng thay đổi +/ Bơm pittông h−ớng tâm; +/ Bơm pittông h−ớng trục (truyền bằng đĩa nghiêng); +/ Bơm pittông h−ớng trục (truyền bằng khớp cầu); +/ Bơm cánh gạt đơn. 2.1.5. Bơm bánh răng Buồng đẩy B a. Nguyên lý làm việc Bánh răng bị Bánh răng chủ động động nb Thân bơm Buồng hút A Hình 2.6. Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích: khi thể tích của buồng hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và nén khi thể tích giảm, bơm đẩy dầu 20
ra ở buồng B, thực hiện chu kỳ nén. Nếu nh− trên đ−ờng dầu bị đẩy ra ta đặt một vật cản (ví dụ nh− van), dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm. b. Phân loại Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp, Phạm vi áp suất sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10 ữ 200bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo). Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong, có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chử V. Loại bánh răng ăn khớp ngoài đ−ợc dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn, nh−ng bánh răng ăn khớp trong thì có kích th−ớc gọn nhẹ hơn. Buồng đẩy Vành khăn a c b Buồng hút Buồng hút Buồng đẩy Hình 2.7. Bơm bánh răng a. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; b. Bơm bánh răng ăn khớp trong; c. Ký hiệu bơm. c. L−u l−ợng bơm bánh răng Khi tính l−u l−ợng dầu, ta coi thể tích dầu đ−ợc đẩy ra khỏi rãnh răng bằng với thể tích của răng, tức là không tính đến khe hở chân răng và lấy hai bánh răng có kích th−ớc nh− nhau. (L−u l−ợng của bơm phụ thuộc vào kết cấu) Nếu ta đặt: m- Modul của bánh răng [cm]; d- Đ−ờng kính chia bánh răng [cm]; b- Bề rộng bánh răng [cm]; n- Số vòng quay trong một phút [vòng/phút]; Z - Số răng (hai bánh răng có số răng bằng nhau). Thì l−ợng dầu do hai bánh răng chuyển đi khi nó quay một vòng: 3 Qv = 2.π.d.m.b [cm /vòng] hoặc [l/ph] 2.18) Nếu gọi Z là số răng, tính đến hiệu suất thể tích ηt của bơm và số vòng quay n, thì l−u l−ợng của bơm bánh răng sẽ là: 2 3 Qb = 2.π.Z.m .b.n. ηt [cm /phút] hoặc [l/ph] (2.19) 21
ηt = 0,76 ữ 0,88 hiệu suất của bơm bánh răng d. Kết cấu bơm bánh răng Kết cấu của bơm bánh răng đ−ợc thể hiện nh− ở hình 2.8. Hình 2.8. Kết cấu bơm bánh răng 2.1.6. Bơm trục vít Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng. Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dày và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít. Bơm trục vít th−ờng có 2 trục vít ăn khớp với nhau (hình 2.9). Buồng hút Buồng đẩy Hình 2.9. Bơm trục vít Bơm trục vít th−ờng đ−ợc sản xuất thành 3 loại: +/ Loại áp suất thấp: p = 10 ữ15bar +/ Loại áp suất trung bình: p = 30 ữ 60bar +/ Loại áp suất cao: p = 60 ữ 200bar. Bơm trục vít có đặc điểm là dầu đ−ợc chuyển từ buồng hút sang buồng nén theo chiều trục và không có hiện t−ợng chèn dầu ở chân ren. 22
Nh−ợc điểm của bơm trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp. Ưu điểm căn bản là chạy êm, độ nhấp nhô l−u l−ợng nhỏ. 2.1.7. Bơm cánh gạt a. Phân loại Bơm cánh gạt cũng là loại bơm đ−ợc dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và chủ yếu dùng ở hệ thống có áp thấp và trung bình. So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt bảo đảm một l−u l−ợng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn. Kết cấu Bơm cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nh−ng có thể chia thành hai loại chính: +/ Bơm cánh gạt đơn. +/ Bơm cánh gạt kép. b. Bơm cánh gạt đơn Bơm cánh gạt đơn là khi trục quay một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm việc bao gồm một lần hút và một lần nén. L−u l−ợng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng tr−ợt), thể hiện ở hình 2.10. Độ lệch tâm a e Vòng tr−ợt Vùng hút Rôto Vùng nén Vòng tr−ợt b c Lò xo Đ iều chỉnh độ lệch tâm dầu Điều chỉnh độ lệch tâm P ittông Rôto Hình 2.10. Nguyên tắc điều chỉnh l−u l−ợng bơm cánh gạt đơn a. Nguyên ký và ký hiệu; b. Điều chỉnh bằng lò xo; c. Điều chỉnh l−u l−ợng bằng thủy lực. c. Bơm cánh gạt kép Bơm cánh gạt kép là khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén, hình 2.11. 23
Buồng đẩy Buồng hút Cánh gạt Stato Chiều quay Rôto Hình 2.11. Bơm cánh gạt kép d. L−u l−ợng của bơm cánh gạt Nếu các kích th−ớc hình học có đơn vị là [cm], số vòng quay n [vòng/phút], thì l−u l−ợng qua bơm là: Q = 2.10-3.π.e.n.(B.D + 4.b.d) [lít/phút] (2.20) Trong đó: D- đ−ờng kính Stato; B- chiều rộng cánh gạt; b- chiều sâu của rãnh; e- độ lệch tâm; d- đ−ờng kính con lăn. 2.1.8. Bơm pittông a. Phân loại Bơm pittông là loại bơm dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu pittông - xilanh. Vì bề mặt làm việc của cơ cấu này là mặt trụ, do đó dễ dàng đạt đ−ợc độ chính xác gia công cao, bảo đảm hiệu suất thể tích tốt, có khả năng thực hiện đ−ợc với áp suất làm việc lớn (áp suất lớn nhất có thể đạt đ−ợc là p = 700bar). Bơm pittông th−ờng dùng ở những hệ thống dầu ép cần áp suất cao và l−u l−ợng lớn; đó là máy truốt, máy xúc, máy nén, Dựa trên cách bố trí pittông, bơm có thể phân thành hai loại: +/ Bơm pittông h−ớng tâm. +/ Bơm pittông h−ớng trục. Bơm pittông có thể chế tạo với l−u l−ợng cố định, hoặc l−u l−ợng điều chỉnh đ−ợc. b. Bơm pittông h−ớng tâm L−u l−ợng đ−ợc tính toán bằng việc xác định thể tích của xilanh. Nếu ta đặt d- là đ−ờng kính của xilanh [cm], thì thể tích của một xilanh khi rôto quay một vòng: 24
π.d2 q = .h [cm3/vòng] (2.21) 4 Trong đó: h- hành trình pittông [cm] Vì hành trình của pittông h = 2e (e là độ lệch tâm của rôto và stato), nên nếu bơm có z pittông và làm việc với số vòng quay là n [vòng/phút], thì l−u l−ợng của bơm sẽ là: 10−3.π Q = q.z.n.10-3 [lít/phút] = .d2 .e.z.h [lít/phút] (2.22) 2 Hành trình của pittông thông th−ờng là h = (1,3 ữ 1,4).d và số vòng quay nmax = 1500vg/ph. L−u l−ợng của bơm pittông h−ớng tâm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng tr−ợt), hình 2.12. Dầu Buồng hút Độ lệch tâm e Buồng đẩy Rôto Hình 2.12. Bơm pittông h−ớng tâm Pittông (3) bố trí trong các lỗ h−ớng tâm rôto (6), quay xung quanh trục (4). Nhờ các rãnh và các lỗ bố trí thích hợp trên trục phân phối (7), có thể nối lần l−ợt các xilanh trong một nữa vòng quay của rôto với khoang hút nữa kia với khoang đẩy. Sau một vòng quay của rôto, mỗi pittông thực hiện một khoảng chạy kép có lớn bằng 2 lần độ lệch tâm e. Trong các kết cấu mới, truyền động pittông bằng lực ly tâm. Pittông (3) tựa trực tiếp trên đĩa vành khăn (2). Mặt đầu của pittông là mặt cầu (1) đặt hơi nghiêng và tựa trên mặt côn của đĩa dẫn. Rôto (6) quay đ−ợc nối với trục (4) qua ly hợp (5). Để điều khiển độ lệch tâm e, ta sử dụng vít điều chỉnh (8). c. Bơm pittông h−ớng trục Bơm pittông h−ớng trục là loại bơm có pittông đặt song song với trục của rôto và đ−ợc truyền bằng khớp hoặc bằng đĩa nghiêng. Ngoài những −u điểm nh− của bơm 25
pittông h−ớng tâm, bơm pittông h−ớng trục còn có −u điểm nữa là kích th−ớc của nó nhỏ gọn hơn, khi cùng một cỡ với bơm h−ớng tâm. Ngoài ra, so với tất cả các loại bơm khác, bơm pittông h−ớng trục có hiệu suất tốt nhất, và hiệu suất hầu nh− không phụ thuộc và tải trọng và số vòng quay. 5. Pittông; 6. Xilanh; 7. Đĩa dẫn dầu; 8. Độ nghiêng; 9. Pittông; 10. Trục truyền. Hình 2.13. Bơm pittông h−ớng trục Nếu lấy các ký hiệu nh− ở bơm pittông h−ớng tâm và đ−ờng kính trên đó phân bố các xilanh là D [cm], thì l−u l−ợng của bơm sẽ là: π.d2 π.d 2 Q = 10−3. .h.z.n = 10−3. .z.n.D.tgα [lít/phút] (2.23) 4 4 Loại bơm này th−ờng đ−ợc chế tạo với l−u l−ợng Q = 30 ữ 640l/ph và áp suất p = 60bar, số vòng quay th−ờng dùng là 1450vg/ph hoặc 950vg/ph, nh−ng ở những bơm có rôto không lớn thì số vòng quay có thể dùng từ 2000 ữ 2500vg/ph. Bơm pittông h−ớng trục hầu hết là điều chỉnh l−u l−ợng đ−ợc, hình 2.15. 1. Thân bơm; 2. Pittông; 3. Đĩa nghiêng; 4. Lò xo; 5,6. Tay quay điều chỉnh góc nghiêngα. Hình 2.14. Điều chỉnh l−u l−ợng bơm pittông h−ớng trục 26
Trong các loại bơm pittông, độ không đồng đều của l−u l−ợng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm chuyển động của pittông, mà còn phụ thuộc vào số l−ợng pittông. Độ không đồng đều đ−ợc xác định nh− sau: Q − Q k = max min (2.24) Q max Độ không đồng đều k còn phụ thuộc vào số l−ợng pittông chẵn hay lẻ. 2.1.9. Tiêu chuẩn chọn bơm Những đại l−ợng đặc tr−ng cho bơm và động cơ dầu gồm có: a. Thể tích nén (l−u l−ợng vòng): là đại l−ợng đặc tr−ng quan trọng nhất, ký hiệu V[cm3/vòng]. ở loại bơm pittông, đại l−ợng này t−ơng ứng chiều dài hành trình pittông. Đối với bơm: Q ~ n.V [lít/phút], và động cơ dầu: p ~ M/V [bar]. b. Số vòng quay n [vg/ph] c. áp suất p [bar] d. Hiệu suất [%] e. Tiếng ồn Khi chọn bơm, cần phải xem xét các yếu tố về kỹ thuật và kinh tế sau: +/ Giá thành; +/ Tuổi thọ; +/ áp suất; +/ Phạm vi số vòng quay; +/ Khả năng chịu các hợp chất hoá học; +/ Sự dao động của l−u l−ợng; +/ Thể tích nén xố định hoặc thay đổi; +/ Công suất; +/ Khả năng bơm các loại tạp chất; +/ Hiệu suất. 2.2. Xilanh truyền động (cơ cấu chấp hành) 2.2.1. Nhiệm vụ Xilanh thủy lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi thế năng của dầu thành cơ năng, thực hiện chuyển động thẳng. 2.2.2. Phân loại Xilanh thủy lực đ−ợc chia làm hai loại: xilanh lực và xilanh quay (hay còn gọi là xilanh mômen). Trong xilanh lực, chuyển động t−ơng đối giữa pittông với xilanh là chuyển động tịnh tiến. 27
Trong xilanh quay, chuyển động t−ơng đối giữa pittông với xilanh là chuyển động quay (với góc quay th−ờng nhỏ hơn 3600). Pittông bắt đầu chuyển động khi lực tác động lên một trong hai phía của nó (lực đó thể là lực áp suất, lực lò xo hoặc cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có h−ớng ng−ợc lại chiều chuyển động (lực ma sát, thủy động, phụ tải, lò xo, ). Ngoài ra, xilanh truyền động còn đ−ợc phân theo: a. Theo cấu tạo +/ Xilanh đơn • Lùi về nhờ ngoại lực • Lùi về nhờ lò xo +/ Xilanh kép • Lùi về bằng thủy lực • Lùi về bằng thủy lực có giảm chấn • Tác dụng cả hai phía Kiểu thực hiện • Tác dụng quay 28
+/ Xilanh vi sai • Tác dụng đơn • Tác dụng kép b. Theo kiểu lắp ráp +/ Lắp chặt thân +/ Lắp chặt mặt bích +/ Lắp xoay đ−ợc +/ Lắp gá ở 1 đầu xilanh 2.2.3. Cấu tạo xilanh 3 10 11 5 9 2 6 8 7 4 15 17 13 11 14 1 12 16 Hình 2.15. Cấu tạo xilanh tác dung kép có cần pittông một phía 1. Thân; 2. Mặt bích hông; 3.Mặt bích hông; 4. Cần pittông; 5. Pittông; 6. ổ tr−ợt; 7. Vòng chắn dầu; 8. Vòng đệm; 9. Tấm nối; 10. Vòng chắn hình O; 11. Vòng chắn pittông; 12. ống nối; 13. Tấm dẫn h−ớng; 14. Vòng chắn hình O; 15. Đai ốc; 16. Vít vặn; 17. ống nối. ở hình 3.29 là ví dụ xilanh tác dụng kép có cần pittông một phía. Xilanh có các bộ phận chính là thân (gọi là xilanh), pittông, cần pittông và một số vòng làm kín. 29
2.2.4. Một số xilanh thông dụng a. Xilanh tác dụng đơn Chất lỏng làm việc chỉ tác động một phía của pittông và tạo nên chuyển động một chiều. Chiều chuyển động ng−ợc lại đ−ợc thực hiện nhờ lực lò xo. Hình 2.16. Xilanh tác dụng đơn (chiều ng−ợc lại bằng lò xo) và ký hiệu b. Xilanh tác dụng kép Chất lỏng làm việc tác động vào hai phía của pittông và tạo nên chuyển động hai chiều. a b Hình 2.17. Xilanh tác dụng kép a. Xilanh tác dụng képkhông có giảm chấn cuối hành trình và ký hiệu; b. Xilanh tác dụng kép có giảm chấn cuối hành trình và ký hiệu. 2.2.5. Tính toán xilanh truyền lực a. Diện tích A, lực F, và áp suất p +/ Diện tích pittông π.D2 π.(D2 − d2 ) A = ; A = (2.25) 1 4 2 4 30
A1 A2 Ft d D m p Hình 2.18. áp suất p, lực F trong xilanh +/ Lực Ft = p.A (2.26) +/ áp suất F p = t (2.27) A Trong đó: A - diện tích tiết diện pittông [cm2]; D - đ−ờng kính của xilanh [cm]; d - đ−ờng kính của cần [cm]; p - áp suất [bar]; Ft - lực [kN]. Nếu tính đến tổn thất thể tích ở xilanh, để tính toán đơn giản, ta chọn: F • áp suất: p = t .104 (2.28) A.η π.d2 • Diện tích pittông: A = .10−2 (2.29) 4 d - đ−ờng kính của pittông [mm]; η- hiệu suất, lấy theo bảng sau: Bảng 3.5 p (bar) 20 120 160 η (%) 85 90 95 Nh− vậy pittông bắt đầu chuyển động đ−ợc, khi lực Ft > FG + FA + FR Trong đó: FG- trọng lực; FA- lực gia tốc; FR- lực ma sát. b. Quan hệ giữa l−u l−ợng Q, vận tốc v và diện tích A L−u l−ợng chảy vào xilanh tính theo công thức sau: Q = A.v (3.16) 31
A Để tính toán đơn giản, ta chọn: v Q = A.v.10-1 π.D2 D m A = .10−2 (3.17) 4 Trong đó: D - đ−ờng kính [mm]; Q A - diện tích của xilanh [cm2]; Q - l−u l−ợng [lít/phút]; Hình 2.19. Quan hệ giữa Q, v và A v - vận tốc [m/phút]. 2.3. Bể dầu 2.3.1. Nhiệm vụ Bể dầu có nhiệm vụ chính sau: +/ Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận dầu chảy về). +/ Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm dầu làm việc. +/ Lắng đọng các chất cạn bã trong quá trình làm việc. +/ Tách n−ớc. 2.3.2. Chọn kích th−ớc bể dầu Đối với các loại bể dầu di chuyển, ví dụ bể dầu trên các xe vận chuyển thì có thể tích bể dầu đ−ợc chọn nh− sau: V = 1,5.Qv (2.30) Đối với các loại bể dầu cố định, ví dụ bể dầu trong các máy, dây chuyền, thì thể tích bể dầu đ−ợc chọn nh− sau: V = (3 ữ 5).Qv (2.31) Trong đó: V[lít]; Qv[l/ph]. 2.3.3. Kết cấu của bể dầu Hình 2.16. là sơ đồ bố trí các cụm thiết bị cần thiết của bể cấp dầu cho hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 1. Động cơ điện; 2. ống nén; 3. Bộ lọc; 4. Phía hút; 5. Vách ngăn; 6. Phía xả; 7. Mắt dầu; 8. Đổ dầu; 9. ống xả. Hình 2.20. Bể dầu 32
Bể dầu đ−ợc ngăn làm hai ngăn bởi một màng lọc (5). Khi mở động cơ (1), bơm dầu làm việc, dầu đ−ợc hút lên qua bộ lộc (3) cấp cho hệ thống điều khiển, dầu xả về đ−ợc cho vào một ngăn khác. Dầu th−ờng đổ vào bể qua một cửa (8) bố trí trên nắp bể lọc và ống xả (9) đ−ợc đặt vào gần sát bể chứa. Có thể kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắt dầu (7). Nhờ các màng lọc và bộ lọc, dầu cung cấp cho hệ thống điều khiển đảm bảo sạch. Sau một thời gian làm việc định kỳ thì bộ lọc phải đ−ợc tháo ra rữa sạch hoặc thay mới. Trên đ−ờng ống cấp dầu (sau khi qua bơm) ng−ời ta gắn vào một van tràn điều chỉnh áp suất dầu cung cấp và đảm bảo an toàn cho đ−ờng ống cấp dầu. Kết cấu của bể dầu trong thực tế nh− ở hình 2.17. Hình 2.21. Kết cấu và ký hiệu bể dầu 2.4. bộ lọc dầu 2.4.1. Nhiệm vụ Trong quá trình làm việc, dầu không tránh khỏi bị nhiễm bẩn do các chất bẩn từ bên ngoài vào, hoặc do bản thân dầu tạo nên. Những chất bẩn ấy sẽ làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích th−ớc nhỏ trong các cơ cấu dầu ép, gây nên những trở ngại, h− hỏng trong các hoạt động của hệ thống. Do đó trong các hệ thống dầu ép đều dùng bộ lọc dầu để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu, phần tử dầu ép. Bộ lọc dầu th−ờng đặt ở ống hút của bơm. Tr−ờng hợp dầu cần sạch hơn, đặt thêm một bộ nữa ở cửa ra của bơm và một bộ ở ống xả của hệ thống dầu ép. Ký hiệu: 2.4.2. Phân loại theo kích th−ớc lọc Tùy thuộc vào kích th−ớc chất bẩn có thể lọc đ−ợc, bộ lọc dầu có thể phân thành các loại sau: a. Bộ lọc thô: có thể lọc những chất bẩn đến 0,1mm. 33
b. Bộ lọc trung bình: có thể lọc những chất bẩn đến 0,01mm. c. Bộ lọc tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,005mm. d. Bộ lọc đặc biệt tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,001mm. Các hệ thống dầu trong máy công cụ th−ờng dùng bộ lọc trung bình và bộ lọc tinh. Bộ lọc đặc biệt tinh chủ yếu dùng các phòng thí nghiệm. 2.4.3. Phân loại theo kết cấu Dựa vào kết cấu, ta có thể phân biệt đ−ợc các loại bộ lọc dầu nh− sau: bộ lọc l−ới, bộ lọc lá, bộ lọc giấy, bộ lọc nỉ, bộ lọc nam châm, Ta chỉ xét một số bộ lọc dầu th−ờng nhất. a. Bộ lọc l−ới Bộ lọc l−ới là loại bộ lọc dầu đơn giản nhất. Nó gồm khung cứng và l−ới bằng đồng bao xung quanh. Dầu từ ngoài xuyên qua các mắt l−ới và các lỗ để vào ống hút. Hình dáng và kích th−ớc của bộ lọc l−ới rất khác nhau tùy thuộc vào vị trí và công dụng của bộ lọc. Do sức cản của l−ới, nên dầu khi qua bộ lọc bị giảm áp. Khi tính toán, tổn thất áp suất th−ờng lấy ∆p = 0,3 ữ 0,5bar, tr−ờng hợp đặc biệt có thể lấy ∆p = 1 ữ 2bar. Nh−ợc điểm của bộ lọc l−ới là chất bẩn dễ bám vào các bề mặt l−ới và khó tẩy ra. Do đó th−ờng dùng nó để lọc thô, nh− lắp vào ống hút của bơm. tr−ờng hợp này phải dùng thêm bộ lọc tinh ở ống ra. Hình 2.22. Màng lọc l−ới b. Bộ lọc lá, sợi thủy tinh Bộ lọc lá là bộ lọc dùng những lá thép mỏng để lọc dầu. Đây là loại dùng rộng rãi nhất trong hệ thống dầu ép của máy công cụ. Kết cấu của nó nh− sau: làm nhiệm vụ lọc ở các bộ lọc lá là các lá thép hình tròn và những lá thép hình sao. Nh−ng lá thép này đ−ợc lắp đồng tâm trên trục, tấm nọ trên tấm kia. Giữa các cặp lắp chen mảnh thép trên trục có tiết diện vuông. Số l−ợng lá thép cần thiết phụ thuộc vào l−u l−ợng cần lọc, nhiều nhất là 1000 ữ 1200lá. Tổn thất áp suất lớn nhất là p = 4bar. L−u l−ợng lọc có thể từ 8 ữ 100l/ph. Bộ lọc lá chủ yếu dùng để lọc thô. Ưu điểm lớn nhất của nó là khi tẩy chất bẩn, khỏi phải dùng máy và tháo bộ lọc ra ngoài. Hiện nay phần lớn ng−ời ta thay vật liệu của các lá thép bằng vật liệu sợi thủy tinh, độ bền của các bộ lọc này cao và có khả năng chế tạo dễ dàng, các đặc tính vật liệu không thay đổi nhiều trong quá trình làm việc do ảnh h−ởng về cơ và hóa của dầu. 34
Hình 2.23. Màng lọc bằng sợi thủy tinh Để tính toán l−u l−ợng chảy qua bộ lọc dầu, ng−ời ta dùng công thức tính l−u l−ợng chảy qua l−ới lọc: A.∆p Q = α. [l/ph] (2.32) η Trong đó: A- diện tích toàn bộ bề mặt lọc [cm2]; ∆p = p1 - p2- hiệu áp của bộ lọc [bar]; η- độ nhớt động học của dầu [P]; α- hệ số lọc, đặc tr−ng cho l−ợng dầu chảy qua bộ lọc trên đơn vị diện tích ⎡ lít ⎤ và thời gian ⎢ 2 ⎥ ⎣cm .phút ⎦ Tùy thuộc vào đặc điểm của bộ lọc, ta có thể lấy trị số nh− sau: ⎡ lít ⎤ α = 0,006 ữ 0,009 ⎢ 2 ⎥ ⎣cm .phút ⎦ 2.4.4. Cách lắp bộ lọc trong hệ thống Tùy theo yêu cầu chất l−ợng của dầu trong hệ thống điều khiển, mà ta có thể lắp bộ lọc dầu theo các vị trí khác nhau nh− sau: a. Lắp bộ lọc ở đ−ờng hút b. Lắp bộ lọc ở đ−ờng nén c. Lắp bộ lọc ở đ−ờng xả a b c Hình 2.24. Cách lắp bộ lọc trong hệ thống 35
2.5. đo áp suất và l−u l−ợng 2.5.1. Đo áp suất a. Đo áp suất bằng áp kế lò xo Nguyên lý đo áp suất bằng áp kế lò xo: d−ới tác dụng của áp lực, lò xo bị biến dạng, qua cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo sẽ chuyển đổi thành giá trị đ−ợc ghi trên mặt hiện số. A B A B Hình 2.25. áp kế lò xo b. Nguyên lý hoạt động của áp kế lò xo tấm D−ới tác dụng của áp suất, lò xo tấm (1) bị biến dạng, qua trục đòn bẩy (2), chi tiết hình đáy quạt (3), chi tiết thanh răng (4), kim chỉ (5), giá trị áp suất đ−ợc thể hiện trên mặt số. 2 1 1. Kim chỉ; 3 2. Thanh răng; 3. Chi tiết hình đáy quạt; 4 4. Đòn bẩy; 5. Lò xo tấm. 5 p Hình 2.26. áp kế lò xo tấm 2.5.2. Đo l−u l−ợng a. Đo l−u l−ợng bằng bánh hình ôvan và bánh răng n n QV VK V K Hình 2.27. Đo l−u l−ợng bằng bánh ôvan và bánh răng 36
Chất lỏng chảy qua ống làm quay bánh ôvan và bánh răng, độ lớn l−u l−ợng đ−ợc xác định bằng l−ợng chất lỏng chảy qua bánh ôvan và bánh răng. b. Đo l−u lựơng bằng tuabin và cánh gạt Chất lỏng chảy qua ống làm quay cánh tuabin và cánh gạt, độ lớn l−u l−ợng đ−ợc xác định bằng tốc độ quay của cánh tuabin và cánh gạt. n QV n QV Hình 2.28. Đo l−u lựơng bằng tuabin và cánh gạt c. Đo l−u l−ợng theo nguyên lý độ chênh áp Hai áp kế đ−ợc đặt ở hai đầu của màng ngăn, độ lớn l−u l−ợng đ−ợc xác định bằng độ chênh lệch áp suất (tổn thất áp suất) trên hai áp kế p1 và p2. QV = ∆p p p 1 ∆p 2 QV Hình 2.29. Đo l−u l−ợng theo nguyên lý độ chênh áp d. Đo l−u l−ợng bằng lực căng lò xo Chất lỏng chảy qua ống tác động vào đầu đo, trên đầu đo có gắn lò xo, l−u chất chảy qua l−u l−ợng kế ít hay nhiều sẽ đ−ợc xác định qua kim chỉ. Hình 2.30. Đo l−u l−ợng bằng lực căng lò xo 2.6. bình trích chứa 2.6.1. Nhiệm vụ Bình trích chứa là cơ cấu dùng trong các hệ truyền dẫn thủy lực để điều hòa năng l−ợng thông qua áp suất và l−u l−ợng của chất lỏng làm việc. Bình trích chứa làm việc theo hai quá trình: tích năng l−ợng vào và cấp năng l−ợng ra. Bình trích chứa đ−ợc sử dụng rộng rãi trong các loại máy rèn, máy ép, trong các cơ cấu tay máy và đ−ờng dây tự động, nhằm làm giảm công suất của bơm, tăng độ tin cậy và hiệu suất sử dụng của toàn hệ thủy lực. 2.6.2. Phân loại 37
Theo nguyên lý tạo ra tải, bình trích chứa thủy lực đ−ợc chia thành ba loại, thể hiện ở hình 2.31 a b c d Hình 2.31. Các loại bình trích chứa thủy lực a. Bình trích chứa trọng vật; b. Bình trích chứa lò xo; c. Bình trích chứa thủy khí; d. Ký hiệu. a. Bình trích chứa trọng vật Bình trích chứa trọng vật tạo ra một áp suất lý thuyết hoàn toàn cố định, nếu bỏ qua lực ma sát phát sinh ở chổ tiếp xúc giữa cơ cấu làm kín và pittông và không tính đến lực quán của pittông chuyển dịch khi thể tích bình trích chứa thay đổi trong quá trình làm việc. Bình trích chứa loại này yêu cầu phải bố trí trọng vật thật đối xứng so với pittông, nếu không sẽ gây ra lực thành phần ngang ở cơ cấu làm kín. Lực tác dụng ngang này sẽ làm hỏng cơ cấu làm kín và ảnh h−ởng xấu đến quá trình làm việc ổn định của bình trích chứa. Bình trích chứa trọng vật là một cơ cấu đơn giản, nh−ng cồng kềnh, th−ờng bố trí ngoài x−ởng. Vì những lý do trên nên trong thực tế ít sử dụng loại bình này. b. Bình trích chứa lò xo Quá trình tích năng l−ợng ở bình trích chứa lò xo là quá trình biến năng l−ợng của lò xo. Bình trích chứa lo xo có quán tính nhỏ hơn so với bình trích chứa trọng vật, vì vậy nó đ−ợc sử dụng để làm tắt những va đập thủy lực trong các hệ thủy lực và giữ áp suất cố định trong các cơ cấu kẹp. c. Bình trích chứa thủy khí Bình trích chứa thủy khí lợi dụng tính chất nén đ−ợc của khí, để tạo ra áp suất chất lỏng. Tính chất này cho bình trích chứa có khả năng giảm chấn. Trong bình trích chứa trọng vật áp suất hầu nh− cố định không phụ thuộc vào vị trí của pittông, trong bình 38
trích chứa lo xo áp suất thay đổi tỷ lệ tuyến tính, còn trong bình trích chứa thủy khí áp suất chất lỏng thay đổi theo những định luật thay đổi áp suất của khí. Theo kết cấu bình trích chứa thủy khí đ−ợc chia thành hai loại chính: +/ Loại không có ngăn: loại này ít dùng trong thực tế (Có nh−ợc điểm: khí tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, trong quá trình làm việc khí sẽ xâm nhập vào chất lỏng và gây ra sự làm việc không ổn định cho toàn hệ thống. Cách khắc phục là bình trích chứa phải có kết cấu hình trụ nhỏ và dài để giảm bớt diện tích tiếp xúc giữa khí và chất lỏng). +/ Loại có ngăn Hình 2.32. Bình trích chứa thủy khí có ngăn Bình trích chứa thủy khí có ngăn phân cách hai môi tr−ờng đ−ợc dùng rộng rãi trong những hệ thủy lực di động. Phụ thuộc vào kết cấu ngăn phân cách, bình loại này đ−ợc phân ra thành nhiều kiểu: kiểu pittông, kiểu màng, Cấu tạo của bình trích chứa có ngăn bằng màng gồm: trong khoang trên của bình trích chứa thủy khí, đ−ợc nạp khí với áp suất nạp vào là pn, khi không có chất lỏng làm việc trong bình trích chứa. Nếu ta gọi pmin là áp suất nhỏ nhất của chất lỏng làm việc của bình trích chứa, thì pn ≈ pmin. áp suất pmax của chất lỏng đạt đ−ợc khi thể tích của chất lỏng trong bình có đ−ợc ứng với giá trị cho phép lớn nhất của áp suất khí trong khoang trên. Khí sử dụng trong bình trích chứa th−ờng là khí nitơ hoặc không khí, còn chất lỏng làm việc là dầu. Việc làm kín giữa hai khoang khí và chất lỏng là vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với loại bình làm việc ở áp suất cao và nhiệt độ thấp. Bình trích chứa loại này có thể làm việc ở áp suất chất lỏng 100kG/cm2. Đối với bình trích chứa thủy khí có ngăn chia đàn hồi, nên sử dụng khí nitơ, còn không khí sẽ làm cao su mau hỏng. 39
Nguyên tắc hoạt động của bình trích chứa loại này gồm có hai quá trình đó là quá trình nạp và quá trình xả. Hình 2.33. Quá trình nạp Hình 2.34. Quá trình xả 40
Ch−ơng 3: các phần tử của hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.1. khái niệm 3.1.1. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển bằng thủy lực đ−ợc mô tả qua sơ đồ hình 3.1, gồm các cụm và phần tử chính, có chức năng sau: a. Cơ cấu tạo năng l−ợng: bơm dầu, bộ lọc ( ) b. Phần tử nhận tín hiệu: các loại nút ấn ( ) c. Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa ( ) d. Phần tử điều khiển: van đảo chiều ( ) e. Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ dầu. Cơ cấu chấp hành Phần tử Phần tử nhận tín Phần tử Dòng năng xử lý hiệu điều khiển l−ợng tác động lên quy trình Cơ cấu tạo Năng l−ợng điều khiển năng l−ợng Hình 3.1. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều bằng thủy lực Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực đ−ợc thể hiện ở sơ đồ hình 3.2. 1.0 Cơ cấu m chấp hành 1.1 A B Phần tử Dòng năng điều khiển P T l−ợng 0.3 P Cơ cấu tạo 0.2 năng l−ợng T 0.1 Hình 3.2. Cấu trúc thống điều khiển bằng thủy lực 41
3.2. van áp suất 3.2.1. Nhiệm vụ Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm trị số áp trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 3.2.2. Phân loại Van áp suất gồm có các loại sau: +/ Van tràn và van an toàn +/ Van giảm áp +/ Van cản +/ Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực. 3.2.2.1. Van tràn và an toàn Van tràn và van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực v−ợt quá trị số quy định. Van tràn làm việc th−ờng xuyên, còn van an toàn làm việc khi quá tải. p Ký hiệu của van tràn và van an toàn: 1 p2 Có nhiều loại: +/ Kiểu van bi (trụ, cầu) +/ Kiểu con tr−ợt (pittông) +/ Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp) a. Kiểu van bi Vít đ/c Vít đ/c x x0 0 Lò xo Lò xo (độ cứng C) x (độ cứng C) p Bi trụ x 2 p2 Bi cầu p 1 p1 Hình 3.3. Kết cấu kiểu van bi Giải thích: khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên v−ợt quá mức điều chỉnh, nó sẽ thắng lực lò xo, van mở cửa và đ−a dầu về bể. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều chỉnh ở phía trên. Ta có: p1.A = C.(x + x0) (bỏ qua ma sát, lực quán tính, p2 ≈ 0) Trong đó: x0 - biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu; C - độ cứng lò xo; 42
F0 = C.x0 - lực căng ban đầu; x - biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn); p1 - áp suất làm việc của hệ thống; A - diện tích tác động của bi. Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nh−ng có nh−ợc điểm: không dùng đ−ợc ở áp suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong hệ thống giảm đột ngột. b. Kiểu van con tr−ợt Vít đ/c 4 C Flx x x0 x p2 2 p1 1 Lỗ giảm chấn A 3 Hình 3.4. Kết cấu kiểu van con tr−ợt Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3. Nếu nh− lực do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng l−ợng G của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4 dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài. Ta có: p1.A = Flx (bỏ qua ma sát và trọng l−ợng của pittông) Flx = C.x0 ∗ Khi p1 tăng ⇒ F = p1.A > Flx ⇒ pittông đi lên với dịch chuyển x. ∗ ⇒ p1.A = C.()x + x0 Nghĩa là: p1 ↑ ⇒ pittông đi lên một đoạn x ⇒ dầu ra cửa 2 nhiều ⇒ p1 ↓ để ổn định. Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc vào Flx của lò xo. Loại van này có độ giảm chấn cao hơn loai van bi, nên nó làm việc êm hơn. Nh−ợc điểm của nó là trong tr−ờng hợp l−u l−ợng lớn với áp suất cao, lò xo phải có kích th−ớc lớn, do đó làm tăng kích th−ớc chung của van. c. Van điều chỉnh hai cấp áp suất Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh đ−ợc áp suất cần thiết. Lò xo 2 có tác dụng lên bi trụ (con tr−ợt), là 43
loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ. Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác. Lỗ tiết l−u có đ−ờng kính từ 0,8 ữ 1 mm. Vít đ/c Lò xo 1 (độ cứng C ) Van tràn 1 p2 2 Bi cầu A2 Lò xo 2 (độ cứng C2) Van an toàn Bi trụ (con tr−ợt) (làm việc khi quá tải) p3 3 p1 1 Lỗ tiết l−u A3 Hình 3.5. Kết cấu của van điều chỉnh hai cấp áp suất Dầu vào van có áp suất p1, phía d−ới và phía trên của con tr−ợt đều có áp suất dầu. Khi áp suất dầu ch−a thắng đ−ợc lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía d−ới và áp suất p2 ở phía trên con tr−ợt bằng nhau, do đó con tr−ợt đứng yên. Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua con tr−ợt, lên van bi chảy về bể. Khi dầu chảy, do sức cản của lỗ tiết l−u, nên p1 > p2, tức là một hiệu áp ∆p = p1 - p2 đ−ợc hình thành giữa phía d−ới và phía trên con tr−ợt. (Lúc này cửa 3 vẫn đóng) 0 0 A2 .p1 > C1.x2 và C 2 .x3 > p1.A3 Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2 ⇒ lúc này cả 2 van đều hoạt động. Loại van này làm việc rất êm, không có chấn động. áp suất có thể điều chỉnh trong phạm vi rất rộng: từ 5 ữ 63 bar hoặc có thể cao hơn. 3.2.2.2. Van giảm áp Trong nhiều tr−ờng hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp năng l−ợng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau. Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt tr−ớc cơ cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết. Ký hiệu: p1 p2 44
Vít đ/c Flx L p 1 P p2 A Hình 3.6. Kết cấu của van giảm áp Ví dụ: mạch thủy lực có lắp van giảm áp 2 1 Vít đ/c Flx p1 p2 A p1 p > p 1 2 Hình 3.7. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp Trong hệ thống này, xilanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh 2. áp suất ra p2 có thể điều chỉnh đ−ợc nhờ van giảm áp. Ta có lực cân bằng của van giảm áp: p2.A = Flx (Flx = C.x) C.x ⇒ p = ⇒ A = const, x thay đổi ⇒ p thay đổi. 2 A 2 45
3.2.2.3. Van cản Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống ⇒ hệ thống luôn có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập. Ký hiệu: Flx p1 p2 p2 A p0 Hình 3.8. Mạch thủy lực có lắp van cản Trên hình 3.8, van cản lắp vào cửa ra của xilanh có áp suất p2. Nếu lực lò xo của van là Flx và tiết diện của pittông trong van là A, thì lực cân bằng tĩnh là: F p .A - F =0 ⇒ p = lx (3.1) 2 lx 2 A Nh− vậy ta thấy rằng áp suất ở cửa ra (tức cản ở cửa ra) có thể điều chỉnh đ−ợc tùy thuộc vào sự điều chỉnh lực lò xo Flx. 3.2.2.4. Rơle áp suất (áp lực) Rơle áp suất th−ờng dùng trong hệ thống thủy lực. Nó đ−ợc dùng nh− một cơ cấu phòng quá tải, vì khi áp suất trong hệ thống v−ợt quá giới hạn nhất định, rơle áp suất sẽ ngắt dòng điện ⇒ Bơm dầu, các van hay các bộ phận khác ng−ng hoạt động. 3.3. van đảo chiều 3.3.1. Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng l−ợng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành. 3.3.2. Các khái niệm +/ Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều th−ờng 2, 3 và 4, 5. Trong những tr−ờng hợp đặc biệt số cửa có thể nhiều hơn. 46
+/ Số vị trí: là số định vị con tr−ợt của van. Thông th−ờng van đảo chiều có 2 hoặc 3 vị trí. Trong những tr−ờng hợp đặc biệt số vị trí có thể nhiều hơn. 3.3.3. Nguyên lý làm việc a. Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2) A P L A P L Số cửa A Số vị trí L P Hình 3.9. Van đảo chiều 2/2 b. Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2) A A P T P T A A a b A P T P T a a b b P T Hình 3.10. Van đảo chiều 3/2 47
c. Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2) B A B A P T P T A B A B A B P T P T a a b b P T Hình 3.11. Van đảo chiều 4/2 Ký hiệu: P- cửa nối bơm; T- cửa nối ống xả về thùng dầu; A, B- cửa nối với cơ cấu điều khiển hay cơ cấu chấp hành; L- cửa nối ống dầu thừa về thùng. 3.3.4. Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều đ−ợc biểu diễn hai phía, bên trái và bên phải của ký hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc của nòng van đảo chiều. a. Loại tín hiệu tác động bằng tay Ký hiệu nút ấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Hình 3.12. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng tay b. Loại tín hiệu tác động bằng cơ Đầu dò 48
Cữ chặn bằng con lăn, tác động hai chiều Cữ chặn bằng con lăn, tác động một chiều Lò xo Nút ấn có rãnh định vị Hình 3.13. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng cơ 3.3.5. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, các mép của nó sẽ đóng hoặc mở các cửa trên thân van nối với kênh dẫn dầu. Van đảo chiều có mép điều khiển d−ơng (hình 3.14a), đ−ợc sử dụng trong những kết cấu đảm bảo sự rò dầu rất nhỏ, khi nòng van ở vị trí trung gian hoặc ở vị trí làm việc nào đó, đòng thời độ cứng vững của kết cấu (độ nhạy đối với phụ tải) cao. Van đảo chiều có mép điều khiển âm (hình 3.14b), đối với loại van này có mất mát chất lỏng chảy qua khe thông về thùng chứa, khi nòng van ở vị trí trung gian. Loại van này đ−ợc sử dụng khi không có yêu cầu cao về sự rò chất lỏng, cũng nh− độ cứng vững của hệ. Van đảo chiều có mép điều khiển bằng không (hình 3.14c), đ−ợc sử dụng phần lớn trong các hệ thống điều khiển thủy lực có độ chính xác cao (ví dụ nh− ở van thủy lực tuyến tính hay cơ cấu servo. Công nghệ chế tạo loại van này t−ơng đối khó khăn. a b c Hình 3.14. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều a. Mép điều khiển d−ơng; b. Mép điều khiển âm; c. Mép điều khiển bằng không. 3.4. Các loại van điện thủy lực ứng dụng trong mạch điều khiển tự động 3.4.1. Phân loại 49
Có hai loại: +/ Van solenoid +/ Van tỷ lệ và van servo 3.4.2. Công dụng a. Van solenoid Dùng để đóng mở (nh− van phân phối thông th−ờng), điều khiển bằng nam châm điện. Đ−ợc dùng trong các mạch điều khiển logic. b. Van tỷ lệ và van servo Là phối hợp giữa hai loại van phân phối và van tiết l−u (gọi là van đóng, mở nối tiếp), có thể điều khiển đ−ợc vô cấp l−u l−ợng qua van. Đ−ợc dùng trong các mạch điều khiển tự động. 3.4.3. Van solenoid Cấu tạo của van solenoid gồm các bộ phận chính là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.15) gồm có thân van, con tr−ợt và hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp (hình 3.16) gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp và van thứ cấp 2 điều khiển con tr−ợt bằng dầu ép, nhờ tác động của van sơ cấp. Con tr−ợt của van sẽ hoạt động ở hai hoặc ba vị trí tùy theo tác động của nam châm. Có thể gọi van solenoid là loại van điều khiển có cấp. 1 2 6 3 TAPB 5 4 AB P T Hình 3.15. Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp 1, 2. Cuộn dây của nam châm điện; 3, 6. Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ; 4, 5. Lò xo. 50
1 5 4.1 4.2 2 6 7 3 8 X TAPBY A B a.X a 0 b b.Y A B a0b ab X T Y ab P X Y T Hình 3.16. Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp 1. Van sơ cấp; 2. Van thứ cấp. 3.5.4. Van tỷ lệ Cấu tạo của van tỷ lệ có gồm ba bộ phận chính (hình 3.17) là : thân van, con tr−ợt, nam châm điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con tr−ợt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con tr−ợt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp. 51
` 1234 5 6 b a 7 X Y 8 13 12 11 T APBXY10 9 A B b a P T Hình 3.17. Kết cấu và ký hiệu của van tỷ lệ Hình 3.17 là kết cấu của van tỷ lệ, van có hai nam châm 1, 5 bố trí đối xứng, các lò xo 10 và 12 phục hồi vị trí cân bằng của con tr−ợt 11. 3.4.5. Van servo a. Nguyên lý làm việc Cuộn dây 1 Cuộn dây 2 + - + - i1 i2 Phần ứng ống đàn hồi N N S S Nam châm vĩnh cửu Cánh chặn P R Miệng phun dầu Càng đàn hồi Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con tr−ợt của van servo Bộ phận điều khiển con tr−ợt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình 3.18 gồm các ở bộ phận sau: +/ Nam châm vĩnh cửu; +/ Phần ứng và hai cuộn dây; 52
+/ Cánh chặn và càng đàn hồi; +/ ống đàn hồi; +/ Miệng phun dầu. Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu cứng vững. Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con tr−ợt. Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay. Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại). Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con tr−ợt lệch nhau và con tr−ợt đ−ợc di chuyển. Nh− vậy: +/ Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con tr−ợt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con tr−ợt cân bằng nhau). +/ Khi dòng i1 ≠ i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn. Giả sử phần ứng quay ng−ợc chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại. áp suất dầu vào hai buồng con tr−ợt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con tr−ợt di chuyển về bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đ−ờng dẫn dầu qua van). Quá trình trên thể hiện ở hình 3.19b. Đồng thời khi con tr−ợt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con tr−ợt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo. Lúc này khe hở ở miệng phun trái hẹp lại và khe hở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con tr−ợt ở vị trí cân bằng. Quá trình đó thể hiện ở hình 3.19c. Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau. L−ợng di chuyển của con tr−ợt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây. +/ T−ơng tự nh− trên nếu phần ứng quay theo chiều ng−ợc lại thì con tr−ợt sẽ di chuyển theo chiều ng−ợc lại. 53
a TA P b c T A PB TAPB Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo a. Sơ đồ giai đoạn van ch−a lam việc; b. Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển; c. Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển. b. Kết cấu của van servo Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 3.18 và hình 3.19, trong van còn bố trí thêm bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng của van. Để con tr−ợt ở vị trí trung gian khi tín hiệu vào bằng không, tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, ng−ời ta đ−a vào kết cấu vít điều chỉnh. 54
Các hình 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 là kết cấu của một số loại van servo đ−ợc sử dụng hiện nay. a Nam châm ống phun dầu Càng đàn hồi Vít hiệu chỉnh con tr−ợt Thân van Lọc dầu b Cuộn dây ống phun Lõi nam châm ống đàn hồi Càng Càng đàn hồi Lọc dầu Lỗ tiết l−u P c P T Hình 3.20. Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo a, b. Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo; c. Ký hiệu của van servo. 55
Hình 3.21. Kết cấu của van servo một cấp điều khiển 1. Không gian trống; 2. ống phun; 3. Lõi sắt của nam châm; 4. ống đàn hồi; 5. Càng điều khiển điện thủy lực; 6. Vít hiệu chỉnh; 7. Thân của ống phun; 8. Thân của nam châm; 9. Không gian quay của lõi sắt nam châm; 10. Cuộn dây của nam châm; 11. Con tr−ợt của van chính; 12. Buồng dầu của van chính. 56
Hình 3.22. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển 1. Cụm nam châm; 2. ống phun; 3. Càng đàn hồi của bộ phận điều khiển điện thủy lực; 4. Xylanh của van chính; 5. Con tr−ợt của van chính; 6. Càng điều khiển điện-thủy lực; 7. Thân của ống phun. Hình 3.23. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến 57
1. Cụm nam châm; 2. ống phun; 3. Xylanh của van chính; 4. Cuộn dây của cảm biến; 5. Lõi sắt từ của cảm biến; 6. Con tr−ợt của van chính; 7. Càng điều khiển điện-thủy lực; 8. ống phun; 9,10. Buồng dầu của van chính. Hình 3.24. Kết cấu của van servo 3 cấp điều khiển có cảm biến 1. Vít hiệu chỉnh; 2. ống phun; 3. Thân van cấp 2; 4. Thân van cấp 3; 5. cuộn đây của cảm biến; 6. Lõi sắt từ của cảm biến; 7. Con tr−ợt của van chính; 8. Càng điều khiển điện-thủy lực; 9. Thân của ống phun; 10,14. Buồng dầu của van cấp 2; 11. Con tr−ợt của van cấp 2; 12. Lò xo của van cấp 2; 13. Xylanh của van cấp 3; 15,16. Buồng dầu của van cấp 3. 3.5. cơ cấu chỉnh l−u l−ợng Cơ cấu chỉnh l−u l−ợng dùng để xác định l−ợng chất lỏng chảy qua nó trong đơn vị thời gian, và nh− thế điều chỉnh đ−ợc vân tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực làm việc với bơm dầu có một l−u l−ợng cố định. 3.5.1. Van tiết l−u Van tiết l−u dùng để điều chỉnh l−u l−ợng dầu, và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực. 58
Van tiết l−u có thể đặt ở đ−ờng dầu vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. Van tiết l−u có hai loại: +/ Tiết l−u cố định Ký hiệu: +/ Tiết l−u thay đổi đ−ợc l−u l−ợng Ký hiệu: Ví dụ: hình 3.25 là sơ đồ của van tiết l−u đ−ợc lắp ở đ−ờng ra của hệ thống thủy lực. Cách lắp này đ−ợc dùng phổ biến nhất, vì van tiết l−u thay thế cả chức năng của van cản, tạo nên một áp suất nhất định trên đ−ờng ra của xilanh và do đó làm cho chuyển động của nó đ−ợc êm. A1 A2 v Q1 Q2 p1 p 2 Ax Q2, p3 Hình 3.25. Sơ đồ thủy lực có lắp van tiết l−u ở đ−ờng dầu ra Ta có các ph−ơng trình: Q2 = A2.v : l−u l−ợng qua van tiết l−u ∆p = p2 - p3 : hiệu áp qua van tiết l−u L−u l−ợng dầu Q2 qua khe hở đ−ợc tính theo công thức Torricelli nh− sau: 2.g Q = à.A . . ∆p [m3/s] (3.3) 2 x ρ 2.g hoặc A .v = à.A .c. ∆p (c = = const) 2 x ρ à.A .c. ∆p ⇒ v = x (3.4) A2 Trong đó: à - hệ số l−u l−ợng; 59
π.d2 A - diện tích mặt cắt của khe hở: A = [m2]; x 1 4 2 ∆p = (p2 - p3)- áp suất tr−ớc và sau khe hở [N/m ]; ρ - khối l−ợng riêng của dầu [kg/m3]. Khi Ax thay đổi ⇒ ∆p thay đổi và v thay đổi. p2 p3 Q2 ∆ p Hình 3.26. Độ chênh lệch áp suất và l−u l−ợng dòng chảy qua khe hở Dựa vào ph−ơng thức điều chỉnh l−u l−ợng, van tiết l−u có thể phân thành hai loại chính: van tiết l−u điều chỉnh dọc trục và van tiết l−u điều chỉnh quanh trục. a. Van tiết l−u điều chỉnh dọc trục Ax = 2π.rt.AB AB = h.sinα h.sinα p2 D Ax rt = r − .cosα 2α α 2 h A A h x p2 ⇒ A ≈ 2π.h.r.sinα B x r p1 t h.sin2 α ( .cosα : VCB ⇒ bỏ qua) π p1 Ax = .D.h r 2 Hình 3.27. Tiết l−u điều chỉnh dọc trục b. Van tiết l−u điều chỉnh quanh trục p 1 p 2 Hình 3.28. Tiết l−u điều chỉnh quanh trục 3.5.2. Bộ ổn tốc Bộ ổn tốc là cấu đảm bảo hiệu áp không đổi khi giảm áp (∆p = const), và do đó đảm bảo một l−u l−ợng không đổi chảy qua van, tức là làm cho vận tốc của cơ cấu chấp hành có giá trị gần nh− không đổi. Nh− vậy để ổn định vận tốc ta sử dụng bộ ổn tốc. 60
Bộ ổn tốc là một van ghép gồm có: một van giảm áp và một van tiết l−u. Bộ ổn tốc có thể lắp trên đ−ờng vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành nh− ở van tiết l−u, nh−ng phổ biến nhất là lắp ở đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. p p Ký hiệu: 1 2 p4 F lx p2 Q 2 p3 A Hình 3.29. Kết cấu bộ ổn tốc Điều kiện để bộ ổn tốc có thể làm việc là: p1 > p2 > p3 > p4 Ta có ph−ơng trình cân bằng tĩnh: F A.p = p .A + F ⇒ ∆p = p - p = lx (3.5) 3 4 lx 3 4 A F Q = à.A .c. ∆p = k. lx (3.6) 2 x A Q2 không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào Flx ⇒ v ổn định p4 Flx p2 Q2 p3 A p 1 Hình 3.30. Sơ đồ thủy lực có lắp bộ ổn tốc 61
3.6. van chặn Van chặn gồm các loại van sau: +/ Van một chiều. +/ Van một chiều điều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn. +/ Van tác động khoá lẫn. 3.6.1. Van một chiều Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một h−ớng, và ở h−ớng kia dầu bị ngăn lại. Trong hệ thống thủy lực, th−ờng đặt ở nhiều vị trí khác nhau tùy thuộc vào những mục đích khác nhau. Ký hiệu: Van một chiều gồm có: van bi, van kiểu con tr−ợt. Hình 3.31. Kết cấu van bi một chiều ứng dụng của van một chiều: +/ Đặt ở đ−ờng ra của bơm (để chặn dầu chảy về bể). +/ Đặt ở cửa hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm). +/ Khi sử dụng hai bơm dầu dùng chung cho một hệ thống. 62
Ví dụ: sơ đồ thủy lực sử dụng hai bơm dầu nhằm giảm tiêu hao công suất. A A 1 2 v1 F L v2 Flx T p2 P p1 Q1 Q 2 A p 1 2 1 Hình 3.32. Sơ đồ mạch thủy lực sử dụng hai bơm dầu Khi thực hiện vận tốc công tác v1, bơm 1 (Q1) hoạt động: Q1 = A1.v1. Khi thực hiện vận tốc chạy không v2 (pittông lùi về) thì cả hai bơm cùng cung cấp dầu (Q1, Q2): Q1 + Q2 = A2.v2 (Q2 >> Q1). Giải thích nguyên lý: +/ Khi có tải FL và thực hiện v1 ⇒ p1 > p2, van một chiều bị chặn ⇒ Q1 v1 = và Q2 về bể dầu. A1 (A.p1 > Flx ⇒ pittông đi lên cửa P và T thông nhau ⇒ Q2 về bể dầu). ∗ ∗ +/ Khi chạy nhanh với v2 (không tải): p1 ↓ ⇒ Flx ≥ p1 .A ⇒ pittông đi xuống mở cửa P, đóng cửa T, lúc này p2 > p1 ⇒ van một chiều mở ⇒ cung cấp Q2 và Q1 cho xilanh để thực hiện v2. Q1 + Q2 v 2 = A2 63
3.6.2. Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn a. Nguyên lý hoạt động Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều. Nh−ng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoài tác động vào cửa X. a b c b ax x a b x a b Hình 3.33. Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn a. Chiều A qua B, tác dụng nh− van một chiều; b. Chiều B qua A có dòng chảy, khi có tác dụng tín ngoài X; c. Ký hiệu. 3.6.3. Van tác động khoá lẫn a. Nguyên lý hoạt động Kết cấu của van tác động khoá lẫn, thực ra là lắp hai van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn. Khi dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 theo nguyên lý của van một chiều. Nh−ng khi dầu chảy từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1 hoặc khi dầu chảy từ B1 về A1 thì phải có tín hiệu điều khiển A2. a B1 B2 b B1 B2 A A 1 2 A1 A2 c B B A A Hình 3.34. Van tác động khóa lẩn a. Dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 (nh− van một chiều); b. Từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1; c. Ký hiệu. 64
3.7. ống dẫn, ống nối Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van) với các cơ cấu chấp hành, với hệ thống biến đổi năng l−ợng (bơm dầu, động cơ dầu), ng−ời ta dùng các ống dẫn, ống nối hoặc các tấm nối. 3.7.1. ống dẫn a. Yêu cầu ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu ống bằng đồng hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 1350C). ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất. Để giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến dạng của tiết diện và sự đổi h−ớng chuyển động của dầu. b. Vận tốc dầu chảy trong ống +/ ở ống hút: v = 0,5 ữ 1,5 m/s +/ ở ống nén: p 100bar thì v = 6 ữ 7 m/s +/ ở ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m/s Các đ−ờng ống hút Các đ−ờng ống nén Các đ−ờng ống xả Hình 3.35. Sơ đồ mạch thủy lực thể hiện các đ−ờng ống c. Chọn kích th−ớc đ−ờng kính ống Ta có ph−ơng trình l−u l−ợng chảy qua ống dẫn: Q = A.v (3.7) Trong đó: π.d2 Tiết diện: A = (3.8) 4 π.d2 ⇔ Q = .v (3.9) 4 Trong đó: d [mm]; Q [lít/phút]; v [m/s]. 65
Q ⇒ v = .102 (3.10) π 6.d2 . 4 2.Q ⇒ Kích th−ớc đ−ờng kính ống dẫn là: d =10. [mm] (3.11) 3.π.v 3.7.2. Các loại ống nối a. Yêu cầu Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu t−ơng đối cao về độ bền và độ kín. Tùy theo điều kiện sử dụng ống nối có thể không tháo đ−ợc và tháo đ−ợc. b. Các loại ống nối Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối ống dẫn với các phần tử thủy lực, ta dùng các loại ống nối đ−ợc thể hiển nh− ở hình 3.36 a b Hình 3.36. Các loại ống nối a. ống nối vặn ren; b. ống nối siết chặt bằng đai ốc. 3.7.3. Vòng chắn a. Nhiệm vụ Chắn dầu đómg vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc bình th−ờng của các phần tử thủy lực. Chắn dầu không tốt, sẽ bị rò dầu ở các đầu nối, bị hao phí dầu, không đảm bảo áp suất cao dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định. 66
b. Phân loại Để ngăn chặn sự rò dầu, ng−ời ta th−ờng dùng các loại vòng chắn, vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ của dầu. Dựa vào bề mặt cần chắn khít, ta phân thành hai loại: +/ Loại chắn khít phần tử cố định. +/ Loại chắn khít phần tử chuyển động. c. Loại chắn khít phần tử cố định Chắn khít những phần tử cố định t−ơng đối đơn giản, dùng các vòng chắn bằng chất dẻo hoặc bằng kim loại mềm (đồng, nhôm). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, ta th−ờng sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (cao su nền vải, vòng kim loại, cao su l−u hóa cùng lõi kim loại). d. Loại chắn khít các phần tử chuyển động t−ơng đối với nhau Loại này đ−ợc dùng rộng rãi nhất, để chắn khít những phần tử chuyển động. Vật liệu chế tạo là cao su chịu dầu, để chắn dầu giữa 2 bề mặt có chuyển động t−ơng đối (giữa pittông và xilanh). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, t−ơng tự nh− loại chắn khít những phần tử cố định, th−ờng ta sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (vòng kim loại). Để chắn khít những chi tiết có chuyển động thẳng (cần pittông, cần đẩy điều khiển con tr−ợt điều khiển với nam châm điện, ), th−ờng dùng vòng chắn có tiết diện chử V, với vật liệu bằng da hoặc bằng cao su. Trong tr−ờng hợp áp suất làm việc của dầu lớn thì bề dày cũng nh− số vòng chắn cần thiết càng lớn. 67
Ch−ơng 4: Điều chỉnh và ổn định vận tốc Điều chỉnh vận tốc chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực bằng cách thay đổi l−u l−ợng dầu chảy qua nó với hai ph−ơng pháp sau: +/ Thay đổi sức cản trên đ−ờng dẫn dầu bằng van tiết l−u. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng tiết l−u. +/ Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh l−u l−ợng của bơm cung cấp cho hệ thống thủy lực. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng thể tích. Lựa chọn ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− công suất truyền động, áp suất cần thiết, đặc điểm thay đổi tải trọng, kiểu và đặc tính của bơm dầu, Để giảm nhiệt độ của dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống dầu ép, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống dầu ép l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. Do đó, nếu nh− không tính đến tổn thất thể tích và cơ khí thì toàn bộ năng l−ợng do bơm dầu tạo nên đều biến thành công có ích. 4.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u Do kết cấu đơn giản nên loại điều chỉnh này đ−ợc dùng nhiều nhất trong các hệ thống thủy lực của máy công cụ để điều chỉnh vận tốc của chuyển động thẳng cũng nh− chuyển động quay. Ta có: Q = à.A x .c. ∆p Khi Ax thay đổi ⇒ thay đổi ∆p ⇒ thay đổi Q ⇒ v thay đổi. ở loại điều chỉnh này bơm dầu có l−u l−ợng không đổi, và với việc thay đổi tiết diện chảy của van tiết l−u, làm thay đổi hiệu áp của dầu, do đó thay đổi l−u l−ợng dẫn đến cơ cấu chấp hành để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−ợng dầu thừa không thực hiện công có ích nào cả và nó đ−ợc đ−a về bể dầu. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết l−u trong hệ thống, ta có hai loại điều chỉnh bằng tiết l−u sau: +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. 4.1.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào Hình 4.1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. Van tiết l−u (0.4) đặt ở đ−ờng vào của xilanh (1.0). Đ−ờng ra của xilanh đ−ợc dẫn về bể dầu qua van cản (0.5). Nhờ van tiết l−u (0.4), ta có thể điều chỉnh hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u, tức là điều chỉnh đ−ợc l−u l−ợng chảy qua van tiết l−u vào xilanh, do đó làm thay đổi vận tốc của pittông. L−ợng dầu thừa chảy qua van tràn (0.2) về bể dầu. 68
Van cản (0.5) dùng để tạo nên một áp nhất định (khoảng 3ữ8bar) trong buồng bên phải của xilanh (1.0), đảm bảo pittông chuyển động êm, ngoài ra van cản (0.5) còn làm giảm chuyển động giật mạnh của cơ cấu chấp hành khi tải trọng thay đổi ngột. Nếu nh− tải trọng tác dụng lên pittông là F và lực ma sát giữa pittông và xilanh là Fms, thì ph−ơng trình cân bằng lực của pittông là: A2 FL + Fms p1.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 ⇒ p1 = p 2 . + (4.1) A1 A1 Hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u: ∆p = p0 - p1 (4.2) Trong đó: p0 là áp suất do bơm dầu tạo nên, đ−ợc điều chỉnh bằng van tràn (0.2). Ph−ơng trình l−u l−ợng: Q qua van tiết l−u cũng là Q qua xilanh (bỏ qua rò dầu) Q = A1.v = à.Ax.c. ∆p (4.3) Qua đây ta thấy: khi FL thay đổi ⇒ p1 thay đổi ⇒ ∆p thay đổi ⇒ Q thay đổi ⇒ v không ổn định. A1 1.0 A2 v FL p1 p2 1.1 A B P T 0.4 Ax 0.3 p0 0.2 0.5 0.1 Hình 4.1. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào 4.1.2. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 1.0 A2 v A1 FL p1 p2 1.1 A B P T Q1 0.3 Q2 p 0.2 0 Ax 0.1 0.4 p ≈0 3 Hình 4.2. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 69
Hình 4.2 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. Van tiết l−u đảm nhiệm luôn chức năng của van cản là tạo nên một áp suất nhất định ở đ−ờng ra của xilanh. Trong tr−ờng hợp này, áp suất ở buồng trái xilanh bằng áp suất của bơm, tức là p1=p0. Ph−ơng trình cân bằng tĩnh là: p0.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 (4.4) Vì cửa van của tiết l−u nối liền với bể dầu, nên hiệu áp của van tiết l−u: ∆p = p2 - p3 = p2 A1 FL + Fms ⇒ ∆p = p2 = p0 . − (4.5) A2 A2 Q2 = v.A2 = à.Ax .c p 2 (4.6) Ta cũng thấy: FL thay đổi ⇒ p2 thay đổi ⇒ Q2 thay đổi và v thay đổi. Cả hai điều chỉnh bằng tiết l−u có −u điểm chính là kết cấu đơn giản, nh−ng cả hai cũng có nh−ợc điểm là không đảm bảo vận tốc của cơ cấu chấp hành ở một giá trị nhất định, khi tải trọng thay đổi. Th−ờng ng−ời ta dùng hai loại điều chỉnh này trong những hệ thống thủy lực làm việc với tải trọng thay đổi nhỏ, hoặc trong hệ thống không yêu cầu có vận tốc không đổi. Nh−ợc điểm khác của hệ thống điều chỉnh bằng tiết l−u là một phần năng l−ợng không dùng biến thành nhiệt trong quá trình tiết l−u, nhiệt l−ợng ấy làm giảm độ nhớt của dầu, có khả năng làm tăng l−ợng dầu rò, ảnh h−ởng đến sự ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. Vì những lý do đó, điều chỉnh bằng tiết l−u th−ờng dùng trong những hệ thống thủy lực có công suất nhỏ, th−ờng không quá 3ữ3,5 kw. Hiệu suất của hệ thống điều chỉnh này khoảng 0,65ữ0,67. 4.2. Điều chỉnh bằng thể tích Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hệu suất của hệ thống thủy lực, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống thủy lực l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−u l−ợng dầu có thể thay đổi với việc dùng bơm dầu pittông hoặc cánh gạt điều chỉnh l−u l−ợng. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng thể tích là khi tải trọng không đổi, công suất của cơ cấu chấp hành tỷ lệ với l−u l−ợng của bơm. Vì thế, loại điều chỉnh này đ−ợc dùng rộng rãi trong các máy cần thiết một công suất lớn khi khởi động, tức là cần thiết lực kéo hoặc mômen xoắn lớn. Ngoài ra nó cũng đ−ợc dùng rộng rãi trong những hệ thống thực hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay khi vận tốc giảm, công suất cần thiết cũng giảm. 70
Tóm lại: −u điểm của ph−ơng pháp điều chỉnh bằng thể tích là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, dầu ít bị làm nóng, nh−ng bơm dầu điều chỉnh l−u l−ợng có kết cấu phức tạp, chế tạo đắt hơn là bơm dầu có l−u l−ợng không đổi. v FL Q e Hình 4.3. Sơ đồ thủy lực điều chỉnh bằng thể tích Thay đổi Q bằng cách thay đổi qb của bơm Qb = qb.n Trên hình 4.3 ta thấy: Thay đổi độ lệch tâm e (xê dịch vòng tr−ợt) ⇒ qb sẽ thay đổi ⇒ Qb thay đổi. 4.3. ổn định vận tốc Trong những cơ cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ chính xác cao, thì các hệ thống điều chỉnh đơn giản nh− đã trình bày ở trên không thể đảm bảo đ−ợc, vì nó không khắc phục đ−ợc những nguyên nhân gây ra sự không ổn định chuyển động, nh− tải trọng không thay đổi, độ đàn hồi của dầu, độ rò dầu cũng nh− sự thay đổi nhiệt độ của dầu. Ngoài những nguyên nhân trên, hệ thống thủy lực làm việc không ổn định còn do những thiếu sót về kết cấu (nh− các cơ cấu điều khiển chế tạo không chính xác, lắp ráp không thích hợp, ). Do đó, muốn cho vận tốc đ−ợc ổn định, duy trì đ−ợc trị số đã điều chỉnh thì trong các hệ thống điều chỉnh vận tốc kể trên cần lắp thêm một bộ phận, thiết bị để loại trừ ảnh h−ởng của các nguyên nhân làm mất ổn định vận tốc. Ta xét một số ph−ơng pháp th−ờng dùng để ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. 71
Để giảm ảnh h−ởng thay đổi tải trọng, ph−ơng pháp đơn giản và phổ biến nhất là dùng bộ ổn định vận tốc (gọi tắt là bộ ổn tốc). Bộ ổn tốc có thể dùng trong hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u, hay ở hệ thống điều chỉnh bằng thể tích và nó có thể ở đ−ờng vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. (Nh− ta đã biết lắp ở đ−ờng ra đ−ợc dùng rộng rãi hơn). 4.3.1. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng vào của cơ cấu chấp hành A1 A2 v F L p p p 1 2 A B p0 p3 ∆p p 1 FL L(p2+pms) v p3 ’ v0 A Flx B’ FL p 0 Hình 4.4. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng vào Tại van giảm áp ta có: π.D2 π.D2 p . − p . − F = 0 (4.7) 3 4 1 4 lx 4 ⇒ ∆p = p − p = F . hiệu áp qua van tiết l−u. (4.8) 3 1 lx π.D2 Q c.à.A mà v = = x . ∆p = const (4.9) A1 A1 Giải thích: giả sử FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông van giảm áp sang trái ⇒ cửa ra của van giảm áp mở rộng ⇒ p3 ↑ để dẫn đến ∆p = const. Fms Trên đồ thị: p1 ≥ p2 + pms (pms = ) (4.10) A1 +/ Khi p1 ↑ ⇒ p3 ↑ ⇒ ∆p = const ⇒ v = const. 72
+/ Khi p3 = p0, tức là cửa ra của van mở hết cở (tại A trên đồ thị), nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p1 ↑ mà p3 = p1 không tăng nữa ⇒ ∆p = p3 - p1 (p3 = p0) ↓ ⇒ v ↓ và đến khi p1 = p3 = p0 ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.2. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành A1 A2 v FL p p =p p1= p0 p2 0 1 Pms Flx p3 A B FL v p3 ’ p0 v A 0 B’ FL p4 ≈ 0 Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng ra π.D2 +/ Tại van giảm áp ta có: p . − F = 0 (4.11) 3 4 lx 4 ∆p = p − 0 = F . = const . (4.12) 3 lx π.D2 +/ Giả sử: FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ p3 ↓ ⇒ pittông van giảm áp sang phải ⇒ cửa ra mở rộng ⇒ p3 ↑ để ∆p = const. Trên đồ thị: Khi FL = 0 ⇒ p2 = p0 - pms ⇒ v = v0. Khi FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ van giảm áp duy trì p3 để ∆p = const ⇒ v = const. Nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p2 = p3 (tại A trên đồ thị), nếu tăng nữa ⇒ p2 = p3 ↓ = 0 ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.3. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào L−u l−ợng của bơm đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e. Khi làm việc, stato của bơm có xu h−ớng di động sang trái do tác dụng của áp suất dầu ở buồng nén gây nên. 73
A1 A2 v F L p p1 2 p0 Stato (vòng tr−ợt) F1 F2 e Buồng hút Rôto Flx Pittông điều chỉnh Buồng nén Hình 4.6. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào Ta có ph−ơng trình cân bằng lực của stato (bỏ qua ma sát): Flx + p1.F1 - p0.F2 - k.p0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm) (4.13) Nếu ta lấy hiệu tiết diện F1 - F2 = k ⇔ F1 = F2 + k (4.13) ⇔ Flx + p1.(F2 + k) - p0.F2 - k.p0 = 0 ⇔ Flx = F2.(p0 - p1) + k.(p0 - p1) ⇔ Flx = (F2 + k).(p0 - p1) Flx Flx ⇒ p0 - p1 = = (4.14) F2 + k F1 Ta có l−u l−ợng qua van tiết l−u: Q = à.Ax .c. ∆p (4.15) Flx Flx ∆p = p0 − p1 = = (4.16) F2 + k F1 74
Flx ⇒ Q = à.Ax .c. = à.Ax .c. ∆p (4.17) F1 Từ công thức (4.17) ta thấy: L−u l−ợng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc tr−ng bằng p1, p0). Giả sử: FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm sang phải ⇒ e ↑ ⇒ p0 ↑ ⇒ ∆p = p0 - p1 = const. 75
Ch−ơng 5: ứng dụng và thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 5.1. ứng dụng truyền động thủy lực 5.1.1. Mục đích Trong hệ thống truyền động bằng thủy lực, phần lớn do các nhà chế tạo, sản xuất ra và có những yêu cầu về các thông số kỹ thuật đ−ợc xác định và tiêu chuẩn hóa. Mục đích của ch−ơng này là giới thiệu cho sinh viên các sơ đồ lắp của hệ thống thủy lực trong các máy. 5.1.2. Các sơ đồ thủy lực 5.1.2.1. Máy dập thủy lực điều khiển bằng tay m 1.0 a 1.2 A P T 0.2 0.3 P b 1.1 T 0.1 Hình 5.1. Máy dập điều khiển bằng tay 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van một chiều; 1.2 Van đảo chiều 3/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.0 Xilanh. Khi có tín hiệu tác động bằng tay, xilanh A mang đầu dập đi xuống. Khi thả tay ra, xilanh lùi về. 76
5.1.2.2. Cơ cấu rót tự động cho quy trình công nghệ đúc 1.0 1.0 P 1.3 1.2 1.1 A B A 1.1 A B P T P T 0.2 0.3 P 0.2 0.3 P T 0.1 T 0.1 Hình 5.2. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu rót phôi tự động 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.3 Van một chiều; 1.1 Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.0 Xilanh; 1.2 Van cản. Để chuyển động của xilanh, gàu xúc đi xuống đ−ợc êm, ta lắp thêm một van cản 1.2 vào đ−ờng xả dầu về. 5.1.2.3. Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn trong lò sấy Hình 5.3. Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn trong lò sấy 77
1.0 m 1.0 B m 1.2 X A 1.1 A B A B 1.1 P T P T 0.2 0.3 0.2 0.3 P P T 0.1 T 0.1 Hình 5.4. Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết đ−ợc sơn trong lò sấy 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van đảo chiều 4/3, điều khiển bằng tay gạt; 1.2 Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn; 1.0 Xilanh. Để cho chuyển động của xilanh đi xuống đ−ợc êm và có thể dừng lại vị trí bất kỳ, ta lắp thêm van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn 1.2 vào đ−ờng nén của xilanh. 5.1.2.4. Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 2 3 1 Hình 5.5. Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 1. Xilanh; 2. Chi tiết; 3. Hàm kẹp. Khi tác động bằng tay, pittông mang hàm kẹp di động đi ra, kẹp chặt chi tiết. Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, pittông lùi về, hàm kẹp mở ra. Để cho xilanh chuyển động đi tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết l−u một chiều. Trên sơ đồ, van tiết l−u một chiều đặt ở trên đ−ờng ra và van tiết l−u đặt ở đ−ờng vào (hãy so sánh hai cách này). 78
1.0 1.0 A A 1.2 1.2 B B 1.1 A B 1.1 A B P T P T 0.2 0.3 0.2 0.3 P P T 0.1 T 0.1 Hình 5.6. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1. Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.2 Van tiết l−u một chiều; 1.0 Xilanh. 5.1.2.5. Máy khoan bàn A B Hình 5.7. Máy khoan bàn 79
Hệ thống thủy lực điều khiển hai xilanh. Xilanh A mang đầu khoan đi xuống với vận tốc đều đ−ợc điều chỉnh trong quá trình khoan, xilanh B làm nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết trong quá trình khoan. Khi khoan xong, xilanh A mang đầu khoan lùi về, sau đó xilanh B lùi về mở hàm 1.0 (B) kẹp, chi tiết đ−ợc tháo ra. 2.0 (A) A B 1.3 1.2 P 2.4 2.3 P 2.5 2.2 T 1.1 A B T A B P T 2.1 P 2.6 0.2 P B A T 0.1 Hình 5.8. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 1.1. Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.2. Van giảm áp; 1.0 Xilanh A; 1.3. Van một chiều; 2.1. Van đảo chiều 4/3, điều khiển bằng tay gạt; 2.2. Bộ ổn tốc; 2.3. Van một chiều; 2.4. Van cản; 2.5. Van một chiều; 2.6. Van tiết l−u; 2.0. Xilanh B. Để cho vận tốc trong quá trình không đổi, mặc dù trọng thay có thể tải đổi, ta dùng bộ ổn tốc 2.2. áp suất cần để kẹp chi tiết nhỏ, ta sử dụng van giảm áp 1.2. 80
5.2. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 5.2.1. Mục đích Tất cả các bộ phận trong hệ thống thủy lực đều có những yêu cầu kỹ thuật nhất định. Những yêu cầu đó chỉ có thể đ−ợc thỏa mãn, nếu nh− các thông số cơ bản của các bộ phận ấy đ−ợc lựa chọn thích hợp. Các cơ cấu chấp hành, cơ cấu biến đổi năng l−ợng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, cũng nh− các phần lớn các thiết bị phụ khác trong hệ thống thủy lực đều đ−ợc tiêu chuẩn hóa. Do đó, việc thiết kế hệ thống thủy lực thông th−ờng là việc tính toán lựa chọn thích hợp các cơ cấu trên. 5.2.2. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực Trình tự: có những số liệu ban đầu và các yêu cầu sau +/ Chuyển động thẳng: tải trọng F, vận tốc (v, v’), hành trình x, ; +/ Chuyển động quay: momen xoắn MX, vận tốc (n, Ω); +/ Thiết kế sơ đồ thiết bị; +/ Tính toán p, Q của cơ cấu chấp hành dựa vào tải trọng và vận tốc; +/ Tính toán l−u l−ợng và áp suất của bơm; +/ Chọn các phần tử thủy lực (pb, Qb); +/ Xác định công suất động cơ điện. 5.2.2.1. Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến A F A 1 s 2 x d m D Ft Q1 Q2 p1 p2 F ms pT p0 Q b Hình 5.9. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến Từ sơ đồ thủy lực ta có: +/ Lực quán tính: Fa = m.a (5.1) W (F = L .a theo hệ Anh) a g 81
+/ Lực ma sát: Fms = m.g.f (5.2) (Fms = WL.f theo hệ Anh) +/ Lực ma sát trong xilanh Fs th−ờng bằng 10% lực tổng cộng, tức là: Fms = 0,10.F (5.3) +/ Lực tổng cộng tác dụng lên pittông sẽ là: m.a F = + F + F + F [daN] (5.4) 1000 ms s t W .a Theo hệ Anh: F = L + F + F + F [lbf] 32,2.12 ms s t Trong đó: Ft - lực do tải trọng ngoài gây ra (ngoại lực), daN (lbf); m - khối l−ợng chuyển động, kg.s2/cm; WL - trọng lực, (lbf) ; a - gia tốc chuyển động, cm/s2; Fms - lực ma sát của bộ phận chuyển động, daN (lbf); Fs - lực ma sát trong pittông - xilanh, daN (lbf). Ta có ph−ơng trình cân bằng tĩnh của lực tác dung lên pittông p1.A1 = p2.A2 + F (5.5) Đối với xilanh không đối xứng thì l−u l−ợng vào ≠ l−u l−ợng ra A1 Q1 = Q2.R với R = (hệ số diện tích) (5.6) A2 Từ đó ta xác định đ−ợc đ−ờng kính của xilanh (D), đ−ờng kính của cần pittông (d) Cụ thể: A • Đ−ờng kính của xilanh: D =2. 1 (5.7) π A − A • Đ−ờng kính của cần pittông: d =2. 1 2 (5.8) π Độ sụt áp qua van sẽ tỷ lệ với bình ph−ơng hệ số diện tích R, tức là: 2 p0 - p1 = (p2 - pT).R (5.9) Trong đó: p0 - áp suất dầu cung cấp cho van; p1, p2 - áp suất ở các buồng của xilanh; pT - áp suất dầu ra khỏi van; A1, A2 - diện tích hai phía của pittông. Từ công thức (5.5), (5.9) ta tìm đ−ợc p1 và p2 2 p0.A2 + R .()F + pT .A2 p1 = 3 (5.10) A2 .()1 + R 82
p0 − p1 p2 = pT + (5.11) R2 T−ơng tự, khi pittông làm việc theo chiều ng−ợc lại thì: 2 p1 = pT + (p0 - p2).R (5.12) 3 p0.A2.R + F + pT .A2 .R p2 = 3 (5.13) A2 .()1+ R L−u l−ợng dầu vào xilanh để pittông chuyển động với vận tốc cực đại là: 3 Q1max = vmax.A1 [cm /s] (5.14) v Q = max .A [l/ph] (5.15) 1max 16.7 1 L−u l−ợng dầu ra khỏi hệ thống khi làm việc với vmax là: 3 Q2max = vmax.A2 [cm /s] (5.16) v Q = max .A [l/ph] (5.17) 2max 16.7 2 L−u l−ợng qua van tiết l−u và van đảo chiều đ−ợc xác định theo công thức Torricelli: 2.g Q = à.A . . ∆p [cm3/s] (5.18) x ρ Trong đó: à - hệ số l−u l−ợng; 2 Ax - diết diện mặt cắt của khe hở [cm ]; 2 ∆p = (p1 - p2) - áp suất tr−ớc và sau khe hở [N/cm ]; ρ - khối l−ợng riêng của dầu [kg/cm3]. L−u l−ợng của bơm: chọn bơm dựa vào p và Q ⇒ Nđcơ điện -3 Qb = n. V. ηv.10 [l/ph] (5.19) Trong đó: n - số vòng quay [vg/ph]; V - thể tích dầu/vòng [cm3/vg]; ηv - hiệu suất thể tích [%]. áp suất của bơm: M.η p = hm .10 [bar] (5.20) b V Công suất để truyền động bơm: p .Q N = b b .10−2 [kW] (5.21) 6.ηt Trong đó: M - Mômen trên trục động cơ nối với bơm [Nm]; ηhm - hiệu suất cơ và thủy lực [%]; ηt - hiệu suất toàn phần [%]. 83
Công suất cần thiết của động cơ điện là: N Nđ = [kW] (5.22) ηt Tính và chọn ống dẫn (ống hút, ống nén, ống xả) +/ Chọn vận tốc chảy qua ống: • ở ống hút: v = 0,5 ữ 1,5 m/s • ở ống nén: p 100bar thì v = 6 ữ 7 m/s • ở ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m/s +/ Chọn kích th−ớc đ−ờng kính ống: Ta có ph−ơng trình l−u l−ợng chảy qua ống dẫn: Q = A.v (5.23) Trong đó: π.d2 Tiết diện: A = (5.24) 4 π.d2 ⇔ Q = .v (5.25) 4 Trong đó: d [mm]; Q [lít/phút]; v [m/s]. Q ⇒ v = .102 (5.26) π 6.d2 . 4 2.Q ⇒ Kích th−ớc đ−ờng kính ống dẫn là: d =10. [mm] (5.27) 3.π.v 5.2.2.2. Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động quay Hệ thủy lực thực hiện chuyển động quay cũng đ−ợc phân tích nh− hệ thủy lực chuyển động thẳng. Mômen xoắn tác động lên trục động cơ dầu bao gồm: +/ Mômen do quán tính Ma = J.θ [Nm] (5.28) J - mômen quán tính khối l−ợng trên trục động cơ dầu [Nms2]; θ - gia tốc góc của trục động cơ dầu [rad/s2]. +/ Mômen do ma sát nhớt trên trục động cơ dầu MD [Nm]. +/ Mômen do tải trọng ngoài ML [Nm]. +/ Mômen xoắn tổng cộng Mx sẽ là: Mx = J. θ + MD + ML [Nm] (5.29) 84
J ML, MD Q Q 1 2 n , D đ m p1 p2 pT p0 Qb Hình 5.10. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay Theo ph−ơng pháp tính toán nh− hệ chuyển động thẳng, áp suất p1 và p2 trong hệ chuyển động quay đ−ợc xác định theo công thức ⎛ p0 + pT ⎞ ⎛10.π.M ⎞ p1 =⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ [bar] (5.30) ⎝ 2 ⎠ ⎝ Dm ⎠ p2 = p0 - p1 + pT [bar] (5.31) L−u l−ợng để làm quay trục động cơ dầu với nmax n .D Q = Q = max m [l/ph] (5.32) 1 2 1000 Trong đó: nmax - số vòng quay lớn nhất của trục động cơ dầu [vg/ph]; 3 Dm - thể tích riêng của động cơ dầu [cm /vg]. Công suất truyền động động cơ dầu p .Q .η N = 1 1 t [kW] (5.33) 6.102 (Phần tính toán bơm và đ−ờng ống t−ơng tự hệ chuyển động thẳng) Trong hai bài toán trên, quá trình tính toán ch−a tính (quan tâm) đến tổn thất áp suất và l−u l−ợng trong các phần tử và trong toàn hệ thống. 5.2.2.3. Các ví dụ Ví dụ 1: thiết kế hệ thống thủy lực với các số liệu cho tr−ớc: +/ Tải trọng: 100 tấn +/ Trọng l−ợng G = 3000 KG 85
+/ Vận tốc công tác: vmax = 320 (mm/phút) +/ Vận tốc chạy không: vmax = 427 (mm/phút) +/ Pittông đặt thẳng đứng, h−ớng công tác từ d−ới lên +/ Điều khiển khiển tốc độ bằng van servo. A F A 1 s 2 v d m D Ft Q1 Q2 p1 p2 Fms pT p 0 Qb Hình 5.11. Sơ đồ mạch thủy lực Bài giải: c Chọn các phần tử thủy lực: +/ Xilanh tải trọng +/ Van servo +/ ắc quy thủy lực +/ Lọc cao áp (lọc tinh) +/ Đồng hồ đo áp suất +/ Van tràn +/ Bơm dầu (bơm bánh răng) +/ Van cản. d Ph−ơng trình cân bằng lực của cụm xilanh tạo tải trọng A1 Fmsp A2 vck vct F d mst D Ft Fmsc Fqt Q Q1 p1 p2 2 Ta viết ph−ơng trình cân bằng lực của cụm pittông xét ở hành trình công tác (hành trình đi từ d−ới lên trên của pittông) p1.A1 - p2.A2 - Ft - Fmsc - Fmsp - G - Fqt = 0 (5.34) Trong đó: 86
p1: áp suất dầu ở buồng công tác p2: áp suất ở buồng chạy không π.D2 A : diện tích pittông ở buồng công tác A = 1 1 4 π. D2 − d2 A : diện tích pittông ở buồng chạy không A = ( ) 2 2 4 Ft: tải trọng công tác Ft = 1000 (kN) G: trọng l−ợng của khối l−ợng m, G = 300 (KG) Fmsp: lực ma sát của pittông và xilanh Fmsc: lực ma sát giữa cần pittông và vòng chắn khít Fmst: lực ma sát giữa khối l−ợng m và bạc tr−ợt Fqt: lực quán tính sinh ra ở giai đoạn pittông bắt đầu chuyển động. +/ Ta có lực ma sát của pittông và xilanh: Fmsp = à.N (5.35) Trong đó: à: hệ số ma sát. Đối với cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang thì à = (0,09 ữ 0,15), chọn à = 0,1. N: lực của các vòng găng tác động lên xilanh và đ−ợc tính: N = π.D.b.(p2 + pk) + π.D.b.(z - 1).pk (5.36) D: đ−ờng kính pittông (cm), theo dãy giá trị đ−ờng kính tiêu chuẩn ta chọn D = 27 (cm) b: bề rộng của mối vòng găng, chọn b = 1 (cm) 2 p2: áp suất của buồng mang cần pittông, chọn p2 = 5 (KG/cm ) z: số vòng găng, chọn z = 3 pk: áp suất tiếp xúc ban đầu giữa vòng găng và xilanh, pk = (0,7 ữ 0,14) 2 2 (KG/cm ), chọn pk = 1 (KG/cm ) π.D.b.(p2 + pk): lực của vòng găng đầu tiên π.D.b.(z - 1).pk: lực tiếp xúc của vòng găng tiếp theo ⇒ Fmsp = 0,5.D (5.37) +/ Lực ma sát giữa cần pittông và vòng chắn khít Fmsc = 0,15.f.π.d.b.p (5.38) f: hệ số ma sát giữa cần và vòng chắn, đối với vật liệu làm bằng cao su thì f = 0,5.D d: đ−ờng kính cần pittông, chọn d = 0,5.D b: chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn d = b 2 p: áp suất tác dụng vào vòng chắn, chính là áp suất p2 = 5 (KG/cm ) 0,15: hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn. 2 ⇒ Fmsc = 0,029.D (5.39) +/ Lực ma sát giữa khối l−ợng m và bạc tr−ợt 87
Fmst = 2.π.d.l.k (5.40) d: đ−ờng kính trụ tr−ợt l: chiều dài của bạc tr−ợt k: hệ số phụ thuộc vào cặp vật liệu của trụ và bạc tr−ợt Lực này có thể bỏ qua, vì để bảo đảm chế độ lắp ghép và làm việc. +/ Lực quán tính G.v Fqt = (5.41) g.t 0 g: gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 (m/s2) G: khối l−ợng của bộ phận chuyển động, G = 300 (KG) v: vận tốc lớn nhất của cơ cấu chấp hành, vmax = 320 (mm/ph) ≈ 5,3 (mm/s) t0: thời gian quá độ của pittông đến chế độ xác lập, t0 =(0,01 ữ 0,5)(s), chọn t0 = 0,1(s) ⇒ Fqt = 1,62 (KG) Thay các giá trị vừa tính vào (5.34) ta có: 2 2 p1 = 179,56 (KG/cm ), chọn p1 = 180 (KG/cm ). e Ph−ơng trình l−u l−ợng +/ Xét ở hành trình công tác Q1 = vct.Act (5.42) π ⇔ Q = v .D2. 1 ct 4 Q1: l−u l−ơng cần cung cấp trong hành trình công tác vct: vận tốc chuyển động trong hành trình công tác (ở đây ta lấy giá trị vmax = 320mm/ph) D: diện tích bề mặt làm việc của pittông (D= 270 mm) 3 ⇒ Q1 ≈ 18312480 (mm /ph) ≈ 18,3 (l/ph). +/ Xét ở hành trình lùi về (t−ơng tự) f Tính và chọn các thống số của bơm +/ L−u l−ợng của bơm: Qb Ta có: Qb = Q 1 (bỏ qua tổn thất) ⇔ Qb = Qct = Q1 =18,3 (l/ph) +/ áp suất bơm: pb 2 pb = p0 =p1 = 180 (KG/cm ) p .Q +/ Công suất bơm: N = b b (KW) (5.43) b 612 180.18,3 ⇒ N = ≈ 5,38(KW) b 612 +/ Công suất động cơ điện dẫn động bơm 88
Nb Ta có: Nđc = (5.44) ηd .ηb Nđc: công suất của động cơ điện ηb: hiệu suất của bơm, ηb = (0,6 ữ 0,9), chọn ηb = 0,87 ηd: hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm, chọn ηd = 0,985 (theo giáo trình “chi tiết máy” tập 2 của Nguyễn Trọng Hiệp) 5.38 ⇒ N = ≈ 6,24(KW) đc 0,985.0,87 g Tính toán ống dẫn Ta có l−u l−ợng chảy qua ống: π.d 2 .v Q = (5.45) 4 Q: l−u l−ợng chảy qua ống (l/ph) d: đ−ờng kính trong của ống (mm) v: vận tốc chảy qua ống (m/s) 2 π.()10−3.d Q Q C.thức (5.45) ⇔ = ⇒ d = 4,6. (5.46) 4 103.60 v Đối với ống nén thì v = (6 ữ 7 m/s), chọn v = 6 m/s 18,3 ⇒ d = 4,6. = 8,03(mm) n 6 Đối với ống hút thì v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chọn v = 1,5 m/s 18,3 ⇒ d = 4,6. = 16,06(mm) h 1,5 Đối với ống xả thì v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chọn v = 1,5 m/s 18,3 ⇒ d = 4,6. = 16,06(mm) x 1,5 Ví dụ 2: Để thực hiện l−ợng chạy dao của máy tổ hợp, trong tr−ờng hợp tải trọng không đổi, ng−ời ta dùng hệ thống thủy lực nh− sau Số liệu cho tr−ớc: Lực chạy dao lớn nhất: Fmax = 12000N. L−ợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph. L−ợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 500 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 4000 N. 89
Đây là hệ thống thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u. L−ợng dầu chảy qua hệ thống đ−ợc điều chỉnh bằng van tiết l−u đặt ở đ−ờng ra, và l−ợng dầu tối thiểu chảy qua van tiết l−u ta chọn là Qmin = 0,1 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 3: Trong tr−ờng hợp tải trọng của máy thay đổi, hoặc dao động với tần số thấp; cần phai lắp bộ ổn tốc. Ta xét tr−ờng hợp lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng vào của hệ thống thủy lực Các số liệu cho tr−ớc: Tải trọng lớn nhất: Fmax = 20000 N. L−ợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph. L−ợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 1000 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 5000 N. Hệ số ma sát: f = 0,2 L−ợng chạy dao cần thiết đ−ợc điều chỉnh bằng van tiết l−u của bộ ổn tốc và ta cũng chọn l−ợng dầu nhỏ nhất chảy qua van tiết l−u là: Qmin = 0,1 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 4: Trên máy mài, th−ờng dùng hệ thống thủy lực để thực hiện chuyển động thẳng đi về của bàn máy bằng ph−ơng pháp điều chỉnh tiết l−u. Các số liệu cho tr−ớc: Tải trọng lớn nhất: Fmax = 800 N. Vận tốc nhỏ nhất của bàn máy: vmin = 100 mm/ph. Vận tốc lớn nhất của bàn máy: vmax = 20000 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 3000 N. Hệ số ma sát: f = 0,2 Ta chọn l−ợng dầu tối thiểu qua van tiết l−u là: Qmin = 0,2 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 5: Thiết kế hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay với các số liệu cho tr−ớc: 90
Mômen lớn nhất: M = 20 Nm Số vòng quay lớn nhất: nmax = 500 v/ph Số vòng quay nhỏ nhất: nmin = 5 v/ph L−u l−ợng riêng của động cơ dầu: Qđ = 0,03 l/ph Mômen riêng của động cơ dầu: Mđ = 0,41 N/bar. 91
Phần 2: hệ thống khí nén Ch−ơng 6: cơ sỡ lý thuyết 6.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén 6.1.1. Lịch sử phát triển Năng l−ợng khí nén đ−ợc sử dụng trong các máy móc thiết bị vào những năm của thế kỷ 19, cụ thể +/ Năm 1880 sử dụng phanh bằng khí nén +/ 6.1.2. Khả năng ứng dụng của khí nén a. Trong lĩnh vực điều khiển +/ Vào những thập niên 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén đ−ợc phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. +/ Hệ thống điều khiển bằng khí nén đ−ợc sử dụng trong các lĩnh vực nh−: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi tr−ờng rất tốt và an toàn cao. +/ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén đ−ợc 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 mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. b. Hệ thống truyền động +/ Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vự khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng (xây dựng hầm mỏ, đ−ờng hầm, ). +/ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển 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 nh− trong hệ thống phanh hãm của ôtô. +/ Truyền động quay: truyền động xilanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng l−ợng khí nén. +/ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: đ−ợc dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất l−ợng sản phẩm. 92
6.2. những −u điểm và nh−ợc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 6.2.1. Ưu điểm +/ Có khả năng truyền năng l−ợng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đ−ờng dẫn nhỏ. +/ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén. +/ Không khí dùng để nén, hầu nh− có số l−ợng không giới hạn và có thể thải ra ng−ợc 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 đ−ờng dẫn khí nén. +/ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đ−ợc 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 t−ởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó đ−ợc sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp. 6.2.2. Nh−ợc 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 đ−ợc những chuyển động thẳng hoặc quay đều). +/ Dòng khí thoát ra ở đ−ờng dẫn ra gây nên tiếng ồn. 6.3. nguyên lý truyền động Thế năng của khí nén Cơ năng làm chuyển P, Q động thẳng và quay 93