Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén

125 trang ngocly 600

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Truyền động 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_truyen_dong_thuy_luc_va_khi_nen.pdf

Nội dung text: Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén

Truyền động thủy lực và khí nén Power Hydraulics and Pneumatics TS. Ngô Quang Hiếu TS. Trần Trung Tính Ngày 27 tháng 12 năm 2013
Mục lục 1 Giới thiệu 2 1.1 Sơ lược các dạng truyền động . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực . . 3 1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực . . . . . . . . . . . . 6 1.3.1 Áp suất và áp suất thủy tĩnh . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.2 Nguyên lý Pascal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.3 Phương trình dòng chảy liên tục . . . . . . . . . . . . . 7 1.3.4 Phương trình Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.1 Tổn thất thể tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2 Tổn thất cơ khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.3 Tổn thất áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực . . . . . . . . . . . . 9 1.5.1 Định luật Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.3 Cách lựa chọn dầu thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6 Đại lượng vật lý cơ bản trong truyền dẫn thủy lực . . . . . . . 12 1.6.1 Áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.6.2 Lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6.3 Công . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6.4 Công suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực . . . . . . . . . . . . 13 2 Bơm thủy lực 17 2.1 Phân loại bơm thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Đại lượng đặc trưng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.1 Bơm piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.2 Bơm bánh răng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3.3 Bơm cánh gạt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
MỤC LỤC ii 2.3.4 Bơm trục vít . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Van thủy lực 28 3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng . . . . . . . 28 3.1.1 Van một chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 Van đảo chiều (van phân phối) . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Van điều khiển áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Van an toàn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.2 Van cân bằng - Counterbalance valve . . . . . . . . . . 34 3.2.3 Van tuần tự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.4 Van giảm áp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Van điều chỉnh lưu lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.1 Van tiết lưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.3.2 Van ổn định vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 Cơ cấp chấp hành thủy lực 39 4.1 Xy lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.1.2 Phân loại xy lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.1.3 Cách lắp ghép xy lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.4 Tính toán xy lanh thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.5 Kiểm tra bền cần piston (trạng thái uốn dọc) . . . . . 44 4.1.6 Điều kiện làm việc của xy lanh thủy lực . . . . . . . . 46 4.1.7 Bảo quản và vận hành xy lanh thủy lực . . . . . . . . . 46 4.2 Động cơ thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.1 Động cơ dầu bán quay . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.2 Động cơ dầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.3 Công thức tính toán động cơ . . . . . . . . . . . . . . . 51 5 Thiết bị phụ 52 5.1 Thùng dầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.2 Bộ lọc dầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Thiết bị làm mát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.4 Ống dẫn, đầu nối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.4.1 Ống dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.4.2 Đầu nối . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.5 Ắc quy thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.5.1 Bình ắc quy trọng lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.5.2 Bình ắc quy chứa lò xo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.5.3 Bình ắc quy thủy khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
MỤC LỤC iii 6 Mạch thủy lực thông thường 58 6.1 Mạch điều khiển áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 6.1.1 Mạch thủy lực với một van tràn trực tiếp . . . . . . . . 58 6.1.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp . . . . . . . . . 59 6.1.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp (unloading van) . 59 6.1.4 Mạch tuần tự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1.5 Mạch hãm cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2 Mạch điều khiển lưu lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2.1 Mạch điều khiển lưu lượng vào . . . . . . . . . . . . . . 60 6.2.2 Mạch điều khiển lưu lượng ra . . . . . . . . . . . . . . 61 6.2.3 Mạch vi sai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.2.4 Mạch thay đổi vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.3 Mạch điều khiển trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3.1 Mạch sử dụng công tắc hành trình và chuyển động của van bằng điện từ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 6.3.2 Mạch sử dụng nhiều van điều khiển nối với nhau . . . 63 6.4 Mạch thủy lực ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.1 Máy ép thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.4.2 Ngàm kẹp thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 7 Đại cương về khí nén 68 7.1 Giới thiệu về kỹ thuật khí nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 7.2 Đặc điểm của không khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.3 Đặc điểm của truyền động khí nén . . . . . . . . . . . . . . . 71 7.4 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén . . . . . . . . 72 8 Cung cấp và xử lý khí nén 73 8.1 Máy nén khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.1.1 Máy nén khí thể tích . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.1.2 Máy nén khí kiểu root . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.1.3 Máy nén khí kiểu tuabin . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.2 Bộ lọc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.3 Bộ điều chỉnh áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8.3.1 Bộ điều chỉnh áp suất không có lỗ thoát . . . . . . . . 77 8.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất có lỗ thoát . . . . . . . . . . . . 78 8.4 Thiết bị bôi trơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.5 Nhóm thiết bị điều hòa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.6 Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp . . . . . . . . . . . 79 8.6.1 Bình ngưng tụ - Làm lạnh khí nén bằng không khí (bằng nước) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.6.2 Sấy khô bằng chất làm lạnh . . . . . . . . . . . . . . . 80
MỤC LỤC iv 8.6.3 Sấy khô bằng hấp thụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.7 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén . . . . . . . . . . . . . . . 81 8.8 Ký hiệu sử dụng trong thiết bị khí nén . . . . . . . . . . . . . 82 8.8.1 Biểu diễn các đường dẫn bằng ký tự . . . . . . . . . . 82 8.8.2 Biểu diễn bằng số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.8.3 Nguyên tắc trình bày sơ đồ mạch khí nén . . . . . . . . 82 9 Phần tử xử lý 85 9.1 Van điều chỉnh áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.1.1 Van an toàn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.2 Van một chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.3 Van điều chỉnh lưu lượng (Van tiết lưu) . . . . . . . . . . . . . 85 9.4 Van logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.4.1 Van logic AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.4.2 Van logic OR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.4.3 Van xả khí nhanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.4.4 Van định thời . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.4.5 Van áp suất tuần tự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 10 Phần tử điều khiển 90 10.1 Van phân phối (Van đảo chiều) . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 10.2 Ký hiệu vị trí và cửa của van phân phối . . . . . . . . . . . . 91 10.3 Phương pháp điều khiển van phân phối . . . . . . . . . . . . . 91 10.4 Van đảo chiều thông dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 11 Cơ cấu tác động 96 11.1 Xy lanh khí nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 11.1.1 Phân loại xy lanh khí nén . . . . . . . . . . . . . . . . 96 11.1.2 Phương pháp cố định xy lanh (xem mục 4.1.3) . . . . . 96 11.1.3 Tính toán xy lanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 11.1.4 Tính toán và kiểm tra bền cần piston (xem mục 4.1.5) 97 11.1.5 Độ dài hành trình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 11.1.6 Tốc độ piston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 11.1.7 Sự tiêu thụ không khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 11.2 Động cơ khí nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 11.3 Van chân không . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 12 Mạch khí nén cơ bản 101 12.1 Điều khiển trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 12.2 Điều khiển gián tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.3 Mạch khí nén sử dụng van logic OR . . . . . . . . . . . . . . . 102
MỤC LỤC v 12.4 Mạch khí nén dùng van xả khí nhanh . . . . . . . . . . . . . . 103 12.5 Mạch khí nén dùng van logic AND . . . . . . . . . . . . . . . 103 12.6 Mạch khí nén dùng van 5/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 12.7 Mạch khí nén dùng công tắc hành trình . . . . . . . . . . . . . 104 13 Thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động 105 13.1 Phương pháp thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động . . . . 105 13.2 Giản đồ hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 13.3 Phương pháp biểu diễn trình tự làm việc theo Grafcet . . . . . 107 13.4 Phương pháp thiết kế mạch theo module (mạch đếm bước) . . 108 13.5 Phương pháp thiết kế mạch bằng biểu đồ Karnaugh . . . . . . 109 13.5.1 Các khái niệm về đại số Boolean . . . . . . . . . . . . 110 13.5.2 Cấu trúc bảng chân trị và cách sử dụng . . . . . . . . . 110 13.5.3 Bảng chân trị của các phần tử logic khí nén cơ bản . . 111 13.5.4 Biểu đồ Karnaugh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Danh sách hình vẽ 1.1 Thủy tĩnh và thủy động học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Nguyên lý truyền dẫn thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Phương trình Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Tổn thất trong mạch thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.5 Hệ thống cân bằng trên xe hơi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 Hệ thống thắng trợ lực ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.7 Máy xúc thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.8 Máy gặt đập liên hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1 Phân loại bơm thủy lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Bơm ly tâm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Bơm hướng trục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Bơm piston thông thường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5 Bơm piston hướng tâm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.6 Bơm piston hướng trục. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.7 Điều chỉnh lưu lượng bơm piston hướng trục. . . . . . . . . . . 22 2.8 Cấu tạo bơm bánh răng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.9 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.10 Bơm bánh răng ăn khớp trong . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.11 Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. . . . . . . . . . . . . 24 2.12 Kết cấu bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. . . . . . . . 25 2.13 Bơm cánh gạt kép. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.14 Kết cấu bơm cánh gạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.15 Bơm trục vít. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.16 Kết cấu bơm trục vít. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1 Ký hiệu van một chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Cấu tạo van một chiều tải lò xo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 Tổn thất áp suất trên van một chiều. . . . . . . . . . . . . . . 30 3.4 Dòng chảy bị ngăn từ B đến A. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 Dòng chảy từ A đến B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
DANH SÁCH HÌNH VẼ vii 3.6 Dòng chảy từ B đến A khi có tín hiệu điều khiển. . . . . . . . 31 3.7 Mạch thủy lực sử dụng van một chiều có điều khiển. . . . . . 31 3.8 Cấu tạo cơ bản của van đảo chiều. . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.9 Các phương pháp tác động vào van đảo chiều. . . . . . . . . . 32 3.10 Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.11 Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.12 Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.13 Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.14 Van an toàn điều khiển trực tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.15 Van an toàn điều khiển gián tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.16 Van an toàn kiểu nắp đậy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.17 Van an toàn kiểu vi sai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.18 Van cân bằng thông thường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.19 Van cân bằng có điều khiển. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.20 Mạch thủy lực sử dụng van tuần tự. . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.21 Van giảm áp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.22 Van ổn định vận tốc (giảm tốc). . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2 Xy lanh tác động đơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.3 Xy lanh tác động kép. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.4 Xy lanh nhiều tầng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5 Xy lanh tác động hai phía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.6 Xy lanh quay (cơ cấu thanh răng - bánh răng). . . . . . . . . 43 4.7 Lắp xy lanh cố định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.8 Lắp xy lanh có chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.9 Bảng tra thông số xy lanh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.10 Chiều dài tương đương theo phương pháp cố định xy lanh. . . 46 4.11 Động cơ cánh gạt đơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.12 Động cơ cánh gạt kép. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.13 Động cơ bán quay kiểu thanh răng - bánh răng. . . . . . . . . 48 4.14 Động cơ bánh răng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.15 Động cơ cánh gạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.16 Động cơ dầu piston hướng kính. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.17 Động cơ dầu piston hướng trục. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.18 Động cơ dầu piston hướng trục thay đổi được lưu lượng riêng. 50 5.1 Thùng dầu thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 Các loại bộ lọc dầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3 Các loại bộ lọc dầu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.4 Ống dẫn thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
DANH SÁCH HÌNH VẼ viii 5.5 Đầu nối ống thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.6 Cách lắp ống dẫn mềm vào đầu nối. . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.7 Ắc quy trọng lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.8 Ắc quy lò xo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.9 Ắc quy thủy khí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.10 Ắc quy thủy khí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 6.1 Mạch thủy lực điều khiển bằng tay với van tràn trực tiếp. . . 58 6.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp. . . . . . . . . . . . . . 59 6.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp. . . . . . . . . . . . . . . 60 6.4 Mạch thủy lực tuần tự. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 6.5 Mạch hãm cân bằng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.6 Mạch điều khiển lưu lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.7 Mạch vi sai. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.8 Mạch thay đổi vận tốc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.9 Mạch điều khiển trực tiếp bằng các công tắc hành trình. . . . 63 6.10 Mạch nối song song. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 6.11 Mạch riêng lẻ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.12 Mạch nối tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 6.13 Mạch máy ép thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.14 Ngàm kẹp thủy lực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 7.1 Thành phần không khí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.2 Áp suất tuyệt đối và áp suất dư (áp suất tương đối). . . . . . 71 7.3 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén. . . . . . . . . 72 8.1 Máy nén khí kiểu piston. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.2 Máy nén khí kiểu piston ba cấp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 8.3 Máy nén khí kiểu màng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 8.5 Máy nén khí kiểu root. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.6 Máy nén khí kiểu tuabin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.7 Bộ lọc khí. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8.8 Bộ điều chỉnh áp suất khí không có lỗ thoát. . . . . . . . . . . 77 8.9 Bộ điều chỉnh áp suất khí có lỗ thoát. . . . . . . . . . . . . . . 78 8.10 Thiết bị bôi trơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.11 Nhóm thiết bị điều hòa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.12 Thiết bị sấy khô khí nén bằng chất làm lạnh. . . . . . . . . . 80 8.13 Sấy khô khí nén bằng hấp thụ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 8.14 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén. . . . . . . . . . . . . . . 81
DANH SÁCH HÌNH VẼ ix 9.1 Van khí nén một chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.2 Ký hiệu van một chiều. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.3 Van tiết lưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.4 Ký hiệu van tiết lưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 9.5 Van logic AND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.6 Van logic OR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 9.7 Van xả khí nhanh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.8 Van định thời. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 9.9 Van áp suất tuần tự. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 10.1 Van phân phối. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 10.2 Mô tả vị trí và cửa của van phân phối. . . . . . . . . . . . . . 91 10.3 Tác động vào van phân phối. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 10.4 Van phân phối 3/2, tác động bằng nút nhấn. . . . . . . . . . . 93 10.5 Van phân phối 3/2, tác động bằng khí. . . . . . . . . . . . . . 93 10.6 Van phân phối 3/2, tác động bằng con lăn. . . . . . . . . . . . 94 10.7 Van phân phối 4/2, tác động bằng nút nhấn. . . . . . . . . . . 94 10.8 Van phân phối 4/3, tác động bằng cần gạt có chốt định vị. . . 94 10.9 Van phân phối 5/2, tác động hỗn hợp bằng khí và nút nhấn. . 95 11.1 Động cơ khí nén kiểu cánh gạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 11.2 Động cơ khí nén kiểu ly tâm và tuabin. . . . . . . . . . . . . . 98 11.3 Một số động cơ khí nén trên thị trường. . . . . . . . . . . . . 99 11.4 Cấu tạo và ký hiệu van chân không. . . . . . . . . . . . . . . . 99 11.5 Van chân không. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 11.6 Thiết bị nâng tấm kiếng sử dụng van chân không. . . . . . . . 100 12.1 Điều khiển trực tiếp xy lanh đơn. . . . . . . . . . . . . . . . . 101 12.2 Điều khiển gián tiếp xy lanh đơn. . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.3 Mạch khí nén sử dụng van OR. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 12.4 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh. . . . . . . . . . . . . 103 12.5 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh. . . . . . . . . . . . . 103 12.6 Mạch khí nén sử dụng van 5/2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 12.7 Mạch khí nén sử dụng công tắc hành trình. . . . . . . . . . . . 104 13.1 Bộ thiết bị cơ bản cho thiết kế mạch khí nén tư động. . . . . . 107 13.2 Module khí nén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 13.3 Mạch khí nén với 5 module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 13.4 Mạch khí nén theo chu trình A+, B+, B-, A-. . . . . . . . . . 110 13.5 Các định lý boolean (đầy đủ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 13.6 Phần tử OR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 13.7 Phần tử AND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
DANH SÁCH HÌNH VẼ x 13.8 Phần tử YES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 13.9 Phần tử NOT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 13.10Phần tử MEMORY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 13.11Chu trình làm việc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 13.12Bảng Karnaugh của hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 13.13Hàm điều kiện của các xy lanh. . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Danh sách bảng
Chương 1 Giới thiệu 1.1 Sơ lược các dạng truyền động Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất đến nơi tiêu thụ. Tuỳ theo công suất và khoảng cách vận chuyển, người ta có thể áp dụng các loại truyền động khác nhau. Trong thực tế có 3 dạng truyền động phổ biến là truyền động điện, truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực. • Truyền động cơ khí Truyền động cơ khí là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng được biến đổi qua lại với nhau. Truyền động cơ khí cho phép truyền những công suất tương đối lớn, hiệu suất cao, nhưng cồng kềnh, khoảng cách truyền hạn chế, độ nhạy và độ chính xác kém. Một hệ truyền động cơ khí bao gồm các bộ phận chính sau: – Bộ phận nối (trục truyền động, khớp nối, ). – Bộ phận đáp ứng (bộ giảm tốc hoặc tăng tốc, hộp số, dây đai, ). – Bộ phận an toàn (phanh, bộ hạn chế mômen, ) • Truyền động điện Truyền động điện là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng và điện năng được biến đổi qua lại với nhau. Đặc điểm của truyền động điện là cho phép truyền công suất ở khoảng cách xa, điều chỉnh vận tốc với độ chính xác cao. Các bộ phận của truyền động điện bao gồm: – Máy phát điện làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng.
1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 3 – Động cơ điện (cơ cấu chấp hành) làm nhiệm vụ chuyển đổi từ điện năng sang cơ năng. – Các khâu trung gian như dây nối, công tắc, bộ đáp ứng, cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn và các thiết bị kiểm tra, • Truyền động thủy lực Truyền động thủy lực là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng được truyền đi thông qua môi chất là chất lỏng. Các bộ phận chính của một hệ truyền động thủy lực gồm có: – Bơm thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực. – Động cơ thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng thủy lực thành cơ năng ở khâu ra của hệ truyền động. – Hệ thống đường ống và cơ cấu lọc chất lỏng. – Các phần tử thủy lực (cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn, cơ cấu điều chỉnh). – Các thiết bị kiểm tra các thông số nhiệt độ, áp suất, mức nước, 1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực Truyền động thủy lực có nhiều đặc điểm ưu việt hơn khi so sánh với những dạng truyền động khác nhờ vào những tính chất cơ bản của dòng lưu chất. Những ưu điểm đó như sau: • Việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động là một giới hạn cơ bản của bất kỳ thiết bị nào. Dầu bôi trơn bị mất tính nhớt, cơ cấu cơ khí bị kẹt lại là những hiện tượng làm phá hỏng thiết bị khi nhiệt độ tăng cao. Lưu chất dùng trong truyền động thủy lực thể hiện khả năng tốt hơn khi chúng đóng vai trò là chất dẫn nhiệt làm giảm nhiệt độ cơ cấu máy thông qua việc trao đổi nhiệt giữa lưu chất với dung dịch làm mát của bộ trao đổi nhiệt. Đặc tính này làm cho kích thước các bộ phận nhỏ hơn cũng như khối lượng sẽ nhẹ hơn. • Lưu chất đóng vai trò như là dầu bôi trơn nên có khả năng kéo dài tuổi thọ thiết bị.
1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 4 • Moment tạo ra bởi cơ cấu chấp hành thủy lực (động cơ và xy lanh thủy lực) thì tỉ lệ với độ chênh lệch áp suất và chỉ bị giới hạn bởi van an toàn. Vì vậy cơ cấu chấp hành thủy lực có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. Đặc điểm này thể hiện sự nổi trội của hệ thống thủy lực khi so sánh với đặc tính của động cơ điện. Moment tạo ra bởi động cơ điện tỉ lệ với dòng điện và bị giới hạn bởi giá trị bảo hòa (magnetic saturation). Giá trị bảo hòa phụ thuộc vào vật liệu từ tính. • Đáp ứng vận tốc của động cơ điện thì chậm hơn cơ cấu chấp hành thủy lực. Vì vậy cơ cấu chấp hành thủy lực có khả năng khởi động, dừng và đảo chiều một cách nhanh chóng. • Cơ cấu chấp hành thủy lực có thể hoạt động liên tục (continuous), gián đoạn (intermittent), đảo chiều (reversing) và khóa cứng (stalled) mà không gây hư hỏng. Với việc sử dụng van an toàn, cơ cấu chấp hành thủy lực có thể dùng cho cơ cấu thắng động (dynamic breaking). Cơ cấu chấp hành tuyến tính (linear actuator) và cơ cấu chấp hành quay (rotary actuator) được dùng mang lại tính linh hoạt cho hệ thống thủy lực. Chuyển động quay dễ biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. • Cơ cấu chấp hành thủy lực có độ cứng cao khi so sánh với các cơ cấu chấp hành khác. • Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín của cơ cấu chấp hành thủy lực thì tương đối đơn giản nhờ vào các van (valves) và bơm (pumps). Điều chỉnh được vận tốc làm việc, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có trước. • Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng. • Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau, các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ. • Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay điện. • Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn. • Dễ quan sát và theo dõi bằng áp kế.
1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 5 Mặc dù truyền động thủy lực mang lại rất nhiều thuận lợi, nhưng những khó khăn sau làm cho việc ứng dụng chúng bị giới hạn. • Nguồn thủy lực thì không sẳn sàng (phổ biến) như là nguồn điện. • Yêu cầu dung sai nhỏ của thiết bị thủy lực dẫn đến giá thành tương đối cao. • Việc tăng cao nhiệt độ của dầu thủy lực có thể là nguyên nhân gây ra hỏa hoạn nếu chúng được sử dụng gần những nguồn dễ bị bốc cháy. Tuy nhiên điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng loại dầu chịu nhiệt. • Hệ thống thủy lực thì không được sạch sẽ bởi vì việc bảo trì hệ thống thủy lực thì luôn gặp khó khăn do luôn tồn tại hiện tượng rò rỉ dầu trong hệ thống. Mất mát trong đường ống và rò rỉ bên trong các phần tử cũng làm giảm hiệu suất và hạn chế khả năng sử dụng của hệ thống thủy lực. • Không thể bảo trì và bảo vệ dầu thủy lực khỏi bẩn. Dầu bẩn có thể làm tắt các van và cơ cấu chấp hành. Chất bẩn tồn tại trong hệ thống thủy lực làm cho hệ thống bị mài mòn nhanh chóng, điều này làm mất đi những đặc tính tốt của hệ thống thủy lực hay làm cho hệ thống bị phá hủy. Thuật ngữ dầu sạch (clean oil) và dầu tin cậy (reliability) là đồng nghĩa trong điều khiển thủy lực. • Qui trình thiết kế cơ bản thì không đủ và khó khăn để xác định vì độ phức tạp của hệ thống thủy lực. Ví dụ như dòng điện đi qua một điện trở thì xác định dễ dàng bằng định luật Ohm. Ngược lại, không tồn tại một định luật cơ bản nào để mô tả trở lực của thiết bị khi dòng lưu chất chảy qua. • Hệ thống thủy lực thì không linh hoạt, tuyến tính, chính xác, và giá rẻ như là thiết bị điện tử hay thiết bị cơ điện (electromechanical) trong việc tạo ra tín hiệu công suất thấp cho việc tính toán, chuẩn lỗi, khuếch đại và đo lường. Vì vậy thiết bị thủy lực thì không được mô tả trong hệ thống điều khiển công suất thấp. • Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính đàn hồi của đường ống dẫn. • Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi.
1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 6 1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 1.3.1 Áp suất và áp suất thủy tĩnh Thủy lực là ngành khoa học về lực và mô men được truyền bằng chất lỏng. Thủy lực thuộc về cơ học chất lỏng. Một sự khác biệt giữa thủy tĩnh và thủy động học là hiệu ứng động học gây ra bởi áp suất và tiết diện đối với hiệu ứng gây ra bởi khối lượng và gia tốc khối lưu chất. Chất lỏng có đặc tính là nén lên bề mặt thùng chứa một áp lực xác định. Áp lực chất lỏng nén lên bề mặt thùng chứa có phương vuông góc với bề mặt của nó. Áp lực tác động lên mọi điểm trên bề mặt thùng chứa là khác nhau và chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đó so với mặt thoáng của chất lỏng. Áp suất chất lỏng tại một điểm có giá trị bằng áp lực lên một đơn vị diện tích tại điểm đó. Trong chất lỏng, áp suất (áp suất do trọng lượng và áp suất do ngoại lực) tác động lên mỗi phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa. Áp suất thủy tĩnh là áp suất trung bình của chất lỏng ở độ sâu h so với mặt thoáng chất lỏng và được tính bằng: p = pa + ρgh, trong đó, p là áp suất thủy tĩnh hay là áp suất tĩnh của chất lỏng, pa là áp suất khí quyển, và g là gia tốc trọng trường. Hình 1.1: Thủy tĩnh và thủy động học
1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 7 1.3.2 Nguyên lý Pascal Phát biểu: Áp suất chất lỏng do ngoại lực tác dụng lên mặt thoáng được truyền nguyên vẹn tới mọi điểm trong lòng chất lỏng. Biểu thức của nguyên lý Pascal được cho như sau: p = pn + ρgh, trong đó, p là áp suất tĩnh tại mọi điểm có độ sâu h so với mặt thoáng của chất lỏng, pn là áp suất gây ra bởi ngoại lực tác động lên mặt thoáng khối chất lỏng, và ρ là trọng lượng riêng của chất lỏng. Khi một hệ thống bình chứa được tạo ra như trong hình 1.2. Áp suất tại bề mặt mỗi piston được tính như sau: F1 F2 p1 = và p2 = . A1 A2 Khi hệ thống cân bằng p1 = p2: F F 1 = 2 . A1 A2 1.3.3 Phương trình dòng chảy liên tục Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng mà ta có thể bỏ qua lực ma sát nhớt của các phần bên trong chất lỏng khi chuyển động tương đối với nhau. Đối với chất lỏng lý tưởng, đường đi của một phân tử chất lưu được biểu diễn bằng một đường dòng mà tiếp tuyến với nó tại mọi điểm có phương chiều trùng với véc tơ vận tốc của chất lưu tại điểm đó. Tập hợp toàn bộ các đường dòng biểu Hình 1.2: Nguyên lý truyền dẫn thủy lực
1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 8 diễn cho cả khối chất lưu được gọi là ống dòng. Nếu chúng ta cắt ống dòng bằng một mặt phẳng S vuông góc đồng thời với các đường dòng, thì tại mọi điểm trên diện tích S này vận tốc các phân tử sẽ có độ lớn bằng nhau. Phương trình dòng chảy liên tục chính là định luật bảo toàn khối lượng đối với chất lưu. Đối với chất lưu không nén được, khi xét một thể tích tham khảo thì lưu lượng chất đi vào phải bằng lưu lượng chất đi ra thể tích đó. Hay nói cách khác, lưu lượng chất lỏng đi qua một mặt cắt S bất kỳ là bằng nhau tại mỗi điểm chứa mặt cắt đó. Q = Sv = hằng số (constant), trong đó, Q là lưu lượng chất lỏng đi qua mặt cắt S, S là tiết diện mặt cắt, và v là vận tốc trung bình của dòng chất lỏng đi qua mặt cắt S. 1.3.4 Phương trình Bernoulli Phương trình Bernoulli mô tả biến đổi năng lượng của dòng lưu chất. Phương trình được viết như sau: ρv2 ρv2 p + ρgz + 1 = p + ρgz + 2 + p , 1 1 2 2 2 2 w trong đó, các chỉ số 1 và 2 thể hiện các giá trị tại vị trí 1 và 2, pw là tổn thất cột áp giữa hai vị trí 1 và 2 như hình 1.3. Hình 1.3: Phương trình Bernoulli
1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực 9 1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực 1.4.1 Tổn thất thể tích Tổn thất thể tích là do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của hệ thống. Áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng. Tổn thất thể tích được đánh giá bằng hiệu suất thể tích. 1.4.2 Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau. Tổn thất cơ khí được đánh giá bằng hiệu suất cơ khí. 1.4.3 Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành. Tổn thất đó phụ thuộc vào những yếu tố khác nhau như chiều dài ống dẫn, độ nhẵn thành ống, độ lớn tiết diện ống dẫn, tốc độ dòng chảy, sự thay đổi tiết diện, trọng lượng riêng, và độ nhớt. Nếu áp suất vào hệ thống là pi và po là áp suất ra, thì tổn thất áp suất được biểu thị bằng ∆p = pi − po. Tổn thất áp suất dẫn đến tổn thất năng lượng trong toàn mạch thủy lực. Tỉ lệ tổn thất năng lượng trung bình trong mạch thủy lực được phân bố như hình 1.4. 1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực Độ nhớt của một chất lỏng là thông số đại diện cho ma sát trong của dòng chảy. Khi các dòng chất lưu sát kề có tốc độ chuyển động khác nhau, ngoài sự va đập giữa các phần tử vật chất còn có sự trao đổi xung lượng giữa chúng. Những phần tử trong dòng chảy có tốc độ cao sẽ làm tăng động năng của dòng có tốc độ chậm và ngược lại phần tử vật chất từ các dòng chảy chậm sẽ làm kìm hãm chuyển động của dòng chảy nhanh. Kết quả là giữa các lớp này xuất hiện một ứng suất tiếp tuyến τ gây nên ma sát (lực ma sát trong). Độ nhớt xác định ma sát trong bản thân chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng trượt hoặc biến dạng cắt của chất lỏng.
1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 10 1.5.1 Định luật Newton Xem xét hiện tượng gió thổi trên bề mặt nước, gió sẽ tác động lên bề mặt nước một lực nhất định và làm bề mặt nước chuyển động với vận tốc cố định u. Dưới tác dụng của độ nhớt, lớp liền kề phía dưới sẽ bị kéo theo chuyển động của lớp trên. Theo định luật Newton cho chất lưu, với những dòng chảy tầng (có thể được hình dung như những lớp dòng chảy song song với nhau), ứng suất tiếp tuyến τ giữa những lớp này tỷ lệ tuyến tính với gradient của thành phần vận tốc ∂u/∂y có hướng vuông góc với các lớp đó. ∂u τ = −µ , ∂y trong đó, hằng số µ được gọi là độ nhớt động lực học hay còn gọi là độ nhớt tuyệt đối (đơn vị kg.m−1.s−1 hay Pa.s). Ngoài độ nhớt động lực học, khi nghiên cứu chuyển động của chất lưu, để kể đến ảnh hưởng của lực quán tính, mà thực chất là khối lượng riêng ρ, người ta còn đưa ra một đại lượng quan trọng khác là độ nhớt động học ν. Độ nhớt động lực ν là lực ma sát tính bằng 1 N tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt 1 m2 của 2 lớp phẳng song song với dòng chảy của chất Hình 1.4: Tổn thất trong mạch thủy lực
1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 11 lỏng, cách nhau 1 m và có vận tốc 1 m/s. µ ν = . ρ Đơn vị của độ nhớt động học là m2/s. Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị stốc (Stoke), viết tắt là St hoặc centistokes, viết tắt là cSt. 1 St = 1 cm2/s = 10−4 m2/s, 1 cSt = 10−2 St = 1 mm2/s. 1.5.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực Dầu thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc giúp cho hệ thống thủy lực làm việc an toàn và chính xác. Bên cạnh là tác nhân truyền tải áp lực và truyền chuyển động, nó còn giúp bôi trơn các chi tiết chuyển động chống lại lực ma sát, nó cũng làm kín các bề mặt tiếp xúc, truyền thải nhiệt và ngăn ngừa sự mài mòn. • Yêu cầu – Có khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn nhiệt độ và áp suất. – Độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ. – Không gây độc hại. – Có tính trung hòa (tính trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả năng xâm nhập của khí, nhưng dễ dàng tách khí ra. – Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhất, cũng như tổn thất bé nhất. – Dầu cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hòa tan trong nước và không khí, dẫn nhiệt tốt. • Dầu sử dụng trong hệ thống cần chú ý một số điểm sau: – Dầu đưa vào hệ thống cần qua bộ lọc. – Kiểm tra dầu và bổ sung dầu thường xuyên trong bể chứa. – Cần phải thay dầu thường xuyên theo định kỳ, 500 giờ đối với các thiết bị có tần số lưu thông dầu lớn, 2000 giờ đến 5000 giờ đối với các thiết bị lưu thông dầu không lớn. Nếu sự thay dầu này được tiến hành trong thời gian quy định thì không cần thiết phải rửa hệ thống.
1.6 Đại lượng vật lý cơ bản trong truyền dẫn thủy lực 12 – Tuyệt đối không dùng lẫn các loại dầu khác nhau. – Không để dầu làm việc ở nhiệt độ quá giới hạn cho phép. 1.5.3 Cách lựa chọn dầu thủy lực Thông thường, dầu thủy lực được lựa chọn trên hai yếu tố chính: các yêu cầu của bộ phận thủy lực sử dụng trong hệ thống truyền động thủy lực và thời tiết nơi thiết bị sử dụng. Độ nhớt: Sau khi chọn chủng loại dầu thủy lực phù hợp, cần phải lựa chọn cấp độ nhớt của dầu cho phù hợp với khoảng nhiệt độ làm việc của thiết bị thủy lực. Theo ISO, cấp độ nhớt của dầu chỉ thị độ nhớt động lực học của dầu ở 40◦C. Ví dụ, dầu thủy lực phẩm cấp VG46 có độ nhớt động học (kinematic viscosity) là 46 cSt (centistokes) tại nhiệt độ (dầu làm việc) 40◦C. Có rất nhiều yêu cầu chất lượng khác nhau đối với dầu thủy lực nhưng điều quan trọng nhất trong số đó là độ nhớt của dầu không thay đổi nhiều với sự thay đổi của nhiệt độ. Lựa chọn dầu thủy lực theo độ nhớt. Nếu độ nhớt của dầu được lựa chọn quá lớn thì ma sát trượt tăng lên, phát sinh ra nhiệt và tổn thất năng lượng lớn, đồng thời tổn thất trong mạch dầu tăng lên và tổn thất áp suất cũng tăng lên. Nếu độ nhớt của dầu lựa chọn quá nhỏ thì rò rỉ trong bơm sẽ tăng lên, hiệu suất thể tích không đạt được và do đó áp suất làm việc yêu cầu không đáp ứng được. Do có sự rò rỉ bên trong của các valve điều khiển, xy lanh sẽ bị thu lại dưới tác dụng của phản lực, còn motor không thể sản sinh ra đủ mô men yêu cầu trên trục quay. Lựa chọn dầu thủy lực theo vị trí địa lý nơi thiết bị làm việc. Theo vị trí địa lý và thời tiết từng vùng, người ta khuyến cáo nên sử dụng các phẩm cấp dầu như sau: vùng nhiệt đới là VG46, vùng ôn đới là VG32. Loại VG68 chỉ được sử dụng khi thiết bị làm việc trong môi trường không khí có nhiệt độ cao trong thời gian liên tục. 1.6 Đại lượng vật lý cơ bản trong truyền dẫn thủy lực 1.6.1 Áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa). 1 Pascal (Pa) là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N). 1 Pa = 1 N/m2
1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực 13 1 bar = 105 Pa = 1 at Trong thực tế, đơn vị thường dùng trong truyền dẫn thủy lực là bar. 1.6.2 Lực Đơn vị của lực là Newton (N). 1 Newton (N) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng 1 kg làm cho đối trọng chuyển động với gia tốc 1 m/s2 1 N = 1 kgm/s2 1.6.3 Công Đơn vị của công là Joule (J). 1 Joule (J) là công sinh ra dưới tác động của lực 1 N để vật dịch chuyển quãng đường 1 m. 1 J = 1 Nm 1.6.4 Công suất Đơn vị của công suất là watt (W). 1 watt là công suất trong thời gian 1 s, sinh ra năng lượng 1 J. 1 W = 1 Nm/s 1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực Hiện nay, truyền động thuỷ lực đang được sử dụng rất phổ biến trên các loại ô tô, máy kéo và thiết bị cơ khí: Hệ thống lái cơ học trợ lực thuỷ lực: Trong hệ thống này, lực đòi hỏi ở người điều khiển khi tác dụng vào vô lăng là đủ cho lực bánh lái mở các van thuỷ lực để điều khiển các mạch thuỷ lực hoạt động tác động vào cơ cấu chấp hành giúp xe chuyển hướng một cách nhẹ nhàng. Hệ thống phanh trợ lực thuỷ lực: Bàn đạp phanh được liên kết với piston của tổng phanh. Khi tác động vào bàn đạp phanh, qua cơ cấu dẫn động, piston dịch chuyển, nén và đẩy dầu vào các đường ống dẫn đến các xy lanh phanh bánh, áp suất của dầu sẽ tác động làm cho các piston của xy lanh phanh bánh dịch chuyển và tác động vào guốc phanh, tạo ra mômen phanh ở các bánh xe. Hệ thống nâng hạ trên các loại máy kéo hiện đại: Thông thường đi sau máy kéo là các loại máy công tác như máy cày, máy phay, máy bừa. . . . Trong quá trình làm việc chúng được nâng lên khi di chuyển, khi quay vòng hoặc hạ xuống khi làm việc.
1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực 14 Hệ thống cân bằng thuỷ lực: Bao gồm hệ thống thăng bằng chất lỏng, hệ thống điện và hệ thống thuỷ lực. Khi máy đi vào đoạn đường dốc ngang trên các sườn đồi, giả sử khi bánh xe bên trái thấp hơn bánh xe bên phải khi làm việc, khi đó thiết bị cảm ứng chất lỏng khởi động hệ thống điện, sẽ có dòng điện đi qua cuộn dây solenoid tạo ra từ trường làm dịch chuyển ống van thăng bằng và hướng dẫn dầu tới xy lanh thăng bằng tác dụng hai chiều trên mỗi bánh xe, hai xylanh bên trái duỗi thẳng còn hai xylanh bên phải co vào giúp cho hệ thống máy giữ được trạng thái thăng bằng khi ở độ dốc nhất định. Hệ thống thuỷ lực trên xe nâng chuyển: Máy nâng được điều khiển, nâng và chất đống sản phẩm và nguyên liệu. Hệ thống nâng thường gồm các xylanh thủy lực, tùy thuộc vào chuyển động của bộ phận chấp hành mà số xy lanh là khác nhau. Để nâng một vật nặng, người điều khiển tác động vào cần điều khiển các van để đưa dầu có áp suất tới xy lanh nâng. Tóm lại, với những ưu điểm của mình, truyền động thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phục vụ cho mỗi lĩnh vực sản xuất. Có nhiều vị trí truyền động phức tạp mà các hệ thống truyền động cơ học không thể đáp ứng được như truyền động trên các máy xúc, ủi và các máy công trình khác. Truyền động thủy lực đã mang lại nguồn lợi rất lớn cho các hoạt động sản xuất của con người. Hình 1.5: Hệ thống cân bằng trên xe hơi
1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực 15 Hình 1.6: Hệ thống thắng trợ lực ABS
1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực 16 Hình 1.7: Máy xúc thủy lực Hình 1.8: Máy gặt đập liên hợp
Chương 2 Bơm thủy lực Bơm thủy lực: là một thiết bị biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu thủy lực. Thông số cơ bản của bơm là lưu lượng Q và áp suất P . 2.1 Phân loại bơm thủy lực Bơm thủy lực được phân chia ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng lưu chất, dạng năng lượng truyền động cho bơm, kết cấu bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm. Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại bơm. Theo đặc điểm này, bơm thủy lực được chia làm hai nhóm: bơm động học và bơm thể tích. Hình 2.1: Phân loại bơm thủy lực
2.1 Phân loại bơm thủy lực 18 • Bơm động học (bơm lưu lượng): trong buồng công tác, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ của vào đến cửa ra của bơm. Các loại bơm sau thuộc loại bơm này: – Bơm ly tâm (hình 2.2) – Bơm hướng trục (hình 2.3) Bộ phận quan trọng của bơm động học là guồng động có gắn cánh dẫn, khi quay thông qua các cánh dẫn thực hiện quá trình vận chuyển chất Hình 2.2: Bơm ly tâm Hình 2.3: Bơm hướng trục
2.2 Đại lượng đặc trưng 19 lỏng. Bơm ly tâm hoạt động theo nguyên lý ly tâm còn bơm hướng trục hoạt động theo nguyên lý cánh nâng. Cả hai bơm đều cho lưu lượng rất lớn đặc biệt là bơm hướng trục nhưng cột áp của cả hai loại bơm không lớn lắm. Bơm động học thường được dùng để vận chuyển chất lỏng. • Bơm thể tích (bơm áp suất) làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín. Khi thể tích làm việc tăng thì bơm thực hiện pha hút chất lỏng, còn khi thể tích làm việc giảm thì bơm thực hiện pha nén chất lỏng. Sau một chu kỳ hút và nén, bơm sẽ vận chuyển được một thể tích chất lỏng xác định. Như vậy bơm này chủ yếu tạo ra áp suất chất lỏng cho nên còn gọi là bơm thủy tĩnh. Cột áp của bơm thể tích chủ yếu là thành phần áp năng thể hiện ở áp suất, còn động năng thì rất nhỏ. Bơm thể tích bao gồm: – Bơm piston – Bơm rotor Trong truyền dẫn thủy lực, do yêu cầu áp suất lớn nên kiểu bơm thể tích được dùng phổ biến. Do đó, chỉ có các loại bơm thể tích được trình bày trong các phần sau. 2.2 Đại lượng đặc trưng 3 • Lưu lượng riêng Dp [m /vòng] là lưu lượng mà bơm cung cấp cho hệ thống khi trục bơm quay được một vòng. 3 • Lưu lượng lý thuyết QT [m /s] D · n Q = p p T 60 np: số vòng quay của trục bơm trong 1 phút [vòng/phút] 3 • Lưu lượng thực QA [m /s] QA = S · v S: tiết diện ống dẫn [m2] v: vận tốc lưu chất trong ống dẫn [m/s] • Hiệu suất thể tích µv QA µv = QT
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 20 • Hiệu suất cơ µm D · P µ = p p m 2π · T 2 Pp: áp suất bơm [N/m ] T : moment xoắn cung cấp trên trục bơm [N.m] • Hiệu suất toàn phần µo µo = µv · µm • Công suất thủy lực NT NT = QA · Pp • Công suất cung cấp trên trục bơm NA NT NA = µo 2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 2.3.1 Bơm piston Bơm piston là loại bơm hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu piston – xylanh. Bề mặt làm việc là mặt trụ, do đó dễ dàng đạt được độ chính xác gia công cao, bảo đảm hiệu suất thể tích tốt, khả năng thực hiện được với áp suất làm việc lớn. • Bơm piston thông thường (hình 2.4) π · D2 D = · L p 4 D: đường kính piston [m] L: hành trình piston [m] • Bơm piston rotor hướng tâm (hình 2.5) π · D2 D = n · · 2e p 4 n: số lượng piston e: khoảng lệch tâm [m]
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 21 Bơm piston hướng tâm là loại bơm có các piston được sắp xếp đối xứng và vuông góc với trục quay. Hành trình chuyển động của mỗi piston được tạo ra bởi sự lệch tâm của trục hoặc vòng truyền động phía ngoài (vòng trượt). Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm của trục hoặc xê dịch vòng trượt. Sau mỗi vòng quay của rotor, mỗi piston thực hiện một khoảng chạy kép bằng hai lần độ lệch tâm. • Bơm piston rotor hướng trục (hình 2.6) π · D2 D = n · · 2r · tan θ p 4 r: bán kính vòng lắp piston [m] θ: góc nghiêng của đĩa Bơm piston hướng trục là loại bơm có các piston được đặt song song với trục của rotor và được truyền động bằng khớp hoặc đĩa nghiêng. Ngoài Hình 2.4: Bơm piston thông thường. Hình 2.5: Bơm piston hướng tâm.
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 22 Hình 2.6: Bơm piston hướng trục. Hình 2.7: Điều chỉnh lưu lượng bơm piston hướng trục. những ưu điểm như bơm piston hướng tâm, bơm hướng trục còn có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn hơn khi các thông số khác tương tự nhau. Bơm piston hướng trục hầu hết điều chỉnh được lưu lượng bằng cách thay đổi độ nghiêng của đĩa hoặc độ nghiêng trục. Trong công nghiệp thường sử dụng loại bơm này khi lưu lượng yêu cầu ít nhất là 500 lít/phút. Ở áp suất lớn và lưu lượng nhỏ, bơm chỉ làm việc ở chế độ không liên tục do khả năng làm nguội kém và chóng mòn. Trong các loại bơm piston, độ không đồng đều của lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm chuyển động của piston mà còn phụ thuộc vào số lượng piston. Độ không đồng đều của lưu lượng là đặc trưng cơ bản của bơm
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 23 piston. 2.3.2 Bơm bánh răng Bơm bánh răng (hình 2.8) là loại bơm được 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. Các loại bơm bánh răng hiện nay có khoảng áp suất từ 10 bar đến 100 bar. Công thức tính lưu lượng riêng bơm bánh răng: 2 2 Dp = π · (ro − ri ) · B ro: bán kính vòng đỉnh răng [m] ri: bán kính vòng chân răng [m] B: chiều dài răng [m] Bơm bánh răng bao gồm loại bánh răng ăn khớp ngoài (hình 2.9) và bánh răng ăn khớp trong (hình 2.10). Hình dạng răng có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc loại răng chữ V. Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì kích thước nhỏ gọn hơn. 2.3.3 Bơm cánh gạt Bơm cánh gạt (hình 2.14) cũng là loại bơm được dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và được dùng trong hệ thống có áp suất thấp và trung bình. So với bơm Hình 2.8: Cấu tạo bơm bánh răng.
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 24 Hình 2.9: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài. Hình 2.10: Bơm bánh răng ăn khớp trong. Hình 2.11: Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. bánh răng thì bơm cánh gạt đảm bảo lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn. Ngoài ra bơm cánh gạt còn có khả năng thay đổi được lưu lượng bằng cách điều chỉnh độ lệch tâm e (hình 2.11 và hình 2.12). Có hai loại bơm cánh gạt. Bơm cánh gạt đơn (hình 2.14) là khi trục quay
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 25 một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm việc bao gồm một lần hút và một lần nén. Bơm cánh gạt kép (hình 2.13) là khi trục quay một vòng, nó thực Hình 2.12: Kết cấu bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. Hình 2.13: Bơm cánh gạt kép. Hình 2.14: Kết cấu bơm cánh gạt.
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 26 hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén. 2.3.4 Bơm trục vít Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng. Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dài và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít (hình 2.15, hình 2.16). Bơm trục vít có 3 loại. Loại áp suất thấp (10 - 15 bar), loại áp suất trung bình (30 - 60 bar), và loại áp suất cao (60 - 200 bar). Bơm trục vít có đặc điểm là dầu được chuyển từ buồng hút sang buồng nén theo chiều trục, không có hiện tượng chèn dầu ở chân ren. Nhược điểm của bơm trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp. Ưu điểm là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ. Hình 2.15: Bơm trục vít.
2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực 27 Hình 2.16: Kết cấu bơm trục vít.
Chương 3 Van thủy lực Các van thủy lực nằm giữa bơm và cơ cấu chấp hành trên mạch bơm có nhiệm vụ điều khiển và điều chỉnh dòng lưu chất trong mạch. Về chức năng có thể chia thành các loại sau: • Nhóm các van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng – Van một chiều – Van phân phối (van đảo chiều) • Nhóm van điều khiển áp suất – Van an toàn (van tràn) – Van cân bằng – Van tuần tự – Van giảm áp • Nhóm các van điều chỉnh lưu lượng – Van tiết lưu – Van ổn định vận tốc 3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 3.1.1 Van một chiều Van một chiều được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống thủy lực. Chúng cho phép dòng chảy theo một hướng và ngăn chặn dòng chảy theo hướng
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 29 khác. Van một chiều có thể được cài đặt một cách độc lập trong đường ống thủy lực, hoặc có thể được kết hợp với các thiết bị khác để tạo thanh các van tuần tự, van cân bằng, hoặc van giảm áp. Bộ làm kín của van thông thường có dạng quả cầu hay nắp côn. Lực đóng van được sử dụng thông thường là lò xo, trọng lực và lực mở van thông thường là áp suất dòng chất lỏng. Van một chiều được phân loại như sau: • Van một chiều không tải trọng • Van một chiều có tải lò xo • Van một chiều có thể đóng mở được Khi không có dòng chất lỏng qua van, lực lò xo nén mặt côn làm kín dòng chảy qua van. Khi có dòng chất lỏng qua van, áp suất chất lỏng tác động lên mặt côn kín tạo ra lực tác động lớn hơn lực lò xo làm mặt côn dịch chuyển cho dòng chất lỏng chảy qua. Khi chất lỏng chuyển động theo chiều ngược lại, mặt côn sẽ càng ép chặt vào thân van ngăn dòng chất lỏng chảy qua. Ngoài van một chiều đóng mở dòng lưu chất nhờ lò xo chỉ cho dòng chất lỏng đi một chiều, còn có van một chiều có thể đóng mở được cho phép dòng chất lỏng đi cả hai chiều dưới tác động điều khiển. 3.1.2 Van đảo chiều (van phân phối) Van đảo chiều (van phân phối, van điều khiển hướng) là một trong những phần tử cơ bản nhất trong thiết bị thủy lực. Chúng cho phép dòng chảy đi theo các đường khác nhau từ một hoặc nhiều nguồn. Cấu tạo thông thường của van phân phối bao gồm một con trượt di chuyển bên trong một xy lanh trên thân van và con trượt thường được tác động (điều khiển) bằng cơ, bằng điện hoặc bằng thủy lực. Trên con trượt có cấu tạo gồm hai phần khác nhau thực hiện hai chức năng: ngăn chặn và cho phép dòng lưu chất di chuyển. Khi làm việc, chuyển động của con trượt sẽ tuần tự hạn chế hoặc cho phép Hình 3.1: Ký hiệu van một chiều.
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 30 Hình 3.2: Cấu tạo van một chiều tải lò xo. Hình 3.3: Tổn thất áp suất trên van một chiều. Hình 3.4: Dòng chảy bị ngăn từ B đến A. Hình 3.5: Dòng chảy từ A đến B.
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 31 Hình 3.6: Dòng chảy từ B đến A khi có tín hiệu điều khiển. Hình 3.7: Mạch thủy lực sử dụng van một chiều có điều khiển. dòng chảy di chuyển, do đó dòng chảy qua van được điều khiển. Hình 3.8 mô tả cấu tạo cơ bản của một van đảo chiều thông thường. Có hai vị trí cơ bản của van phân phối cụ thể là vị trí bình thường mà van trả về khi không có các tác động trên van và vị trí làm việc khi thực hiện tác động trên van. Van phân phối có thể có loại ba vị trí với hai vị trí làm việc và một vị trí bình thường (được định vị bởi các lò xo). Ngoài ra, van phân phối có thể có nhiều hơn ba vị trí tùy thuộc vào việc sử dụng van phân phối trên các thiết bị chuyên dùng cụ thể. Van điều khiển hướng thông thường được phân loại và gọi tên theo quy định bằng số cổng, số vị trí, và phương pháp tác động (nút nhấn, cần gạt, lò xo, điện từ, thủy lực, ). Ngoài ra, các thông tin khác cũng được đưa vào như loại thường đóng (không cho dòng chất lỏng đi qua ở vị trí bình thường), thường mở (cho phép dòng chất lỏng di chuyển qua van ở vị trí bình thường). Hình 3.8: Cấu tạo cơ bản của van đảo chiều.
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 32 Hình 3.9: Các phương pháp tác động vào van đảo chiều. Hình 3.10: Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí. Hình 3.11: Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí.
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng 33 Hình 3.12: Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí. Hình 3.13: Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí. Tương ứng với từng loại van phân phối sẽ có các ký hiệu tương ứng. Tuy nhiên, ký hiệu van phân phối trên bản vẽ phải tuân theo một số quy tắc chung như sau: • Mỗi vị trí của van phân phối được ký hiệu bởi một ô vuông. • Dòng chảy qua van được ký hiệu bởi các đường mũi tên chỉ rõ hướng của dòng chảy tương ứng với từng vị trí. • Phương pháp tác động vào van được ký hiệu ở cạnh bên. • Ký hiệu dòng chảy ra khỏi van được biểu diễn ở vị trí bình thường (chưa tác động).
3.2 Van điều khiển áp suất 34 • Các cửa của van được ký hiệu bởi các chữ cái theo tiêu chuẩn DIN (P: cửa nguồn, T: cửa xả dầu về bể, A, B: cửa đi làm việc). 3.2 Van điều khiển áp suất Van áp suất có chức năng điều khiển và điều chỉnh áp suất trong một hệ thống thủy lực và các bộ phận của hệ thống. • Van an toàn Áp suất trong một hệ thống được xác định và giới hạn bằng những van này. Áp suất điều khiển được đo tại cửa vào của van (P). • Điều chỉnh áp suất Những van này giảm áp suất cửa ra của van khi áp suất ở cửa vào tăng hơn giá trị cho phép. 3.2.1 Van an toàn Van an toàn được thiết kế dưới dạng van đĩa hay van trượt. Tại vị trí bình thường, một lò xo nén ép bộ làm kín lên cửa vào của van, lực nén của lò xo lên bộ làm kín có thể điều chỉnh được. Khi làm việc, áp suất tại cửa vào của van tác động lên bề mặt bộ làm kín và tạo ra lực. Nếu lực được tạo ra bởi áp suất tại cửa vào vượt qua lực lò xo, van bắt đầu mở. Điều này làm cho một phần chất lỏng chảy vào thùng dầu. Nếu áp suất cửa van tiếp tục tăng thì van sẽ mở cho đến khi toàn bộ dầu cung cấp từ bơm chảy hết về thùng dầu. Vì vậy van an toàn có chức năng là cài đặt áp suất làm việc lớn nhất và bảo vệ quá tải cho mạch thủy lực. Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động, van an toàn có hai loại: van an toàn điều khiển trực tiếp (hình 3.14) và van an toàn điều khiển gián tiếp (hình 3.15). Dựa vào cấu tạo có van an toàn kiểu nắp đậy (hình 3.16), van an toàn kiểu vi sai (hình 3.17), 3.2.2 Van cân bằng - Counterbalance valve Counterbalance valve được sử dụng trong các hệ thống thủy lực để chống lại tải bị động (dưới tác dụng của trọng lực). Chức năng của van là tạo ra một đối áp để cân bằng với một tải trọng không cho nó dịch chuyển khi mạch nghỉ(do ảnh hưởng của trọng lượng), ví dụ như trên tời nâng hàng của xe cẩu, các cơ cấu nâng Về bản chất, counterbalance valve là sự kết hợp giữa van một chiều và van áp suất có điều khiển. Dầu thủy lực được cấp vào cơ cấu qua van một chiều; dầu ra khỏi cơ cấu qua van áp suất. Có hai loại van
3.2 Van điều khiển áp suất 35 Hình 3.14: Van an toàn điều khiển trực tiếp. Hình 3.15: Van an toàn điều khiển gián tiếp. Hình 3.16: Van an toàn kiểu nắp đậy. Hình 3.17: Van an toàn kiểu vi sai.
3.2 Van điều khiển áp suất 36 cân bằng: van cân bằng thông thường (hình 3.18) và van cân bằng có điều khiển (over center valve, hình 3.19). Hình 3.18: Van cân bằng thông thường. Hình 3.19: Van cân bằng có điều khiển. 3.2.3 Van tuần tự Chức năng của van là cho phép sự làm việc theo thứ tự trước sau của các cơ cấu tác động (xy lanh, động cơ thủy lực) khi đạt ngưỡng áp suất cài đặt. 3.2.4 Van giảm áp Chức năng của van là giảm áp suất cấp cho mạch khi có sự gia tăng áp suất trong mạch. Trong quá trình hoạt động của mạch, áp suất ở cửa P sẽ gia tăng sẽ dẫn đến sự gia tăng áp suất ở của A. Sự gia tăng áp suất này làm cho con trượt dịch chuyển để hạn chế dầu thủy lực qua cửa A, qua đó làm giảm áp suất ở cửa A. Điều này làm áp suất cửa A ổn định hơn. Giá trị ổn định này được điều chỉnh bởi lò xo.
3.3 Van điều chỉnh lưu lượng 37 Hình 3.20: Mạch thủy lực sử dụng van tuần tự. Hình 3.21: Van giảm áp. 3.3 Van điều chỉnh lưu lượng 3.3.1 Van tiết lưu Van tiết lưu có công dụng điều chỉnh lưu lượng chất lỏng trong hệ thủy lực hoặc một bộ phận hệ thủy lực, qua đó điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành:
3.3 Van điều chỉnh lưu lượng 38 xy lanh thủy lực và động cơ thủy lực. Nguyên lý cơ bản của van tiết lưu là hạn chế dòng chảy qua khe hẹp. Khi khe hẹp được điều chỉnh, diện tích khe hẹp thay đổi nên dòng chảy qua van được điều chỉnh. 3.3.2 Van ổn định vận tốc Van ổn định vận tốc hay còn gọi là van ổn tốc, hoạt động trên cơ sở của van tiết lưu. Khi piston về cuối hành trình sẽ tác động vào con lăn ngăn dòng chảy tự do về bể dầu. Dầu còn lại sẽ di chuyển qua van tiết lưu làm cho tốc độ piston chậm lại. Van ổn tốc đóng vai trò như giảm chấn cuối hành trình cho piston (giảm chấn ngoài). Hình 3.22: Van ổn định vận tốc (giảm tốc).
Chương 4 Cơ cấp chấp hành thủy lực 4.1 Xy lanh thủy lực Xy lanh thủy lưc là cơ cấu chấp hành chính trong hệ truyền động và tự động thủy lực, nó dùng để chuyển tải một vật bất kỳ từ vị trí này sang vị trí khác, nâng hạ một sản phẩm nào đó như cửa đập thủy điện, tạo lực ép cho máy ép một sản phẩm nào đó,v.v. . . , nói chung xy lanh thủy lực có chức năng thực hiên một công năng nhất định nào đó mà nhu cầu công nghệ đòi hỏi đáp ứng. Để vận hành xy lanh thủy lực được đảm bảo kỹ thuật tăng độ bền cũng như tuổi thọ một cách tối ưu chúng ta cần nắm được kết cấu cũng như phương pháp tính toán ứng dụng nó vào những vị trí cần thiết. 4.1.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực Cấu tạo của xy lanh thủy lực gồm các bộ phận chính sau đây, xem hình 4.1: • 1,2,3,8,9,10: Thân ắc phía đầu cần và phía không cần của xy lanh thủy lực dùng để gá xi lanh vào điểm tựa và vật hoặc cơ cấu cần di chuyển trong đó có bi tự lựa 9, vú mỡ 2 và 8, vít để hãm khóa. • 4,5,19,20: Bích phía đầu cần của xy lanh thủy lực (có thể áp dụng cho cả xi lanh cần hai phía). Gồm gioăng làm kín cổ giữa cần piston và bích phía có cần, bạc dẫn hướng, lỗ bắt ống dẫn dầu, gioăng gạt bẩn, bu lông bát bích với thân xy lanh thủy lực, có thể còn có thêm bộ giảm chấn nêu cần. Nói chung bích phía có cần của xy lanh thủy lực tùy theo kết cấu có thể khác nhau nhưng cơ bản có các bộ phận chính là: bạc dẫn hướng khi cần piston vươn quá dài có tác dụng giảm lực công xôn không gây mòn không đều goăng phớt hoặc gãy, cong cần, có trường hợp cần quá dài còn có thêm bạc đỡ 17.
4.1 Xy lanh thủy lực 40 Hình 4.1: Cấu tạo xy lanh thủy lực. • 6,7,11,12: Bích phía không cần của xy lanh thủy lực gồm các chi tiết lỗ bắt ống cấp dầu, giảm chấn, goăng làm kín giữa thân xi lanh và bích bắt bu lông, cũng có thể kết cấu hàn đơn giản hơn. Nói chung tùy theo yêu cầu của công nghệ nơi ứng dụng để giảm chi phí, thông thường xi lanh có cần một phía là kết cấu hàn và không có giảm chấn. • 13,14,15,16: Quả piston là bộ phận chính của xy lanh thủy lực để ngăn cách giữa hai khoang có áp và không có áp luôn luân phiên nhau của xy lanh thủy lực. Gồm thân piston và các gioăng phớt bằng cao su chịu dầu, vừa chịu áp suất vừa làm kín cả hai chiều với vỏ xi lanh, đệm dẫn hướng giữa hai phớt bằng vật liệu chịu mài mòn (vật liệu phíp chẳng hạn), chiều dài tối thiểu thân piston thường được thiết kế lớn hơn 2/3 của kích thước đường kính lòng xy lanh thủy lực. • 18: Vỏ xi lanh được chế tạo từ thép CT35 có độ dẻo tốt, với độ dày theo tiêu chuẩn chịu áp suất định mức quốc tế, với độ bóng bề mặt trong lòng đạt yêu cầu bằng công nghệ lăn miết bi trên bề mặt trong ống thép vừa làm nhẵn bề mặt, vừa chai cứng nên làm cho vỏ xy lanh thủy lực tăng độ bền và chịu mài mòn cao. • 21: Cần piston được làm từ thép 40 Crom, tôi cứng bề mặt được mài tròn bằng máy mài vô tâm đạt độ bóng cao. Sau khi mài bóng được mạ một lớp crom chống rỉ với độ dày lớp mạ theo yêu cầu của nhà đặt
4.1 Xy lanh thủy lực 41 hàng. Những trường hợp đặc biệt cần piston phải làm việc ở trong môi trường ăn mòn người ta còn phủ thêm lớp Ceramic(gốm). Kết cấu của cần piston cho xi lanh cần một phía thông thường có một đầu để lắp quả piston còn đầu kia có kết cấu ren để lắp ắc hoặc tiện bậc để lắp bàn ép hoặc để gá vât cần mang theo.(Phụ thuộc vào người sử dụng). 4.1.2 Phân loại xy lanh thủy lực Tùy theo mục đích sử dụng, xy lanh thủy lực có nhiều loại khác nhau. Xy lanh tác động đơn hay còn gọi là xy lanh một chiều (hình 4.2) chỉ tạo ra lực đẩy một phía, thường là phía thò cần xy lanh, nhờ cấp dầu thủy lực có áp suất vào phía đuôi xy lanh. Cần xy lanh sẽ tự hồi vị nhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực đẩy lò xo bên trong. Điều dễ nhận biết nhất đối với xy lanh một chiều là nó chỉ có duy nhất một cửa cấp dầu. Xy lanh tác động kép hay còn gọi là xy lanh hai chiều (hình 4.3) được sử dụng phổ biến trong hệ thống thủy lực. Xy lanh tác động kép có thể tạo ra lực cả hai phía: Khi cán xy lanh thò ra và cả khi nó thụt vào vỏ xy lanh. Kết cấu làm kín bên trong của xy lanh hai chiều cũng phức tạp hơn xy lanh một chiều và trên thân nó phải có hai đường dầu cấp. Điều khác biệt lớn nữa là hệ thống thủy lực sử dụng xy lanh hai chiều phải có valve đổi hướng (valve phân phối) khi muốn điều khiển xy lanh này. Xy lanh nhiều tầng hay Telescopic thường có 2-3-4 hoặc có khi lên đến 6 tầng (hình 4.4) được sử dụng trong trường hợp cần khoảng hành trình lớn. Nó bao gồm một vỏ xy lanh và nhiều ống cần được xếp lồng với nhau. Kết cấu dạng này làm cho xy lanh có thể duỗi dài hành trình dài hơn rất nhiều kích thước cơ sở của xy lanh khi rút hết cán vào. Điều này tạo ra khả năng thiết kế các chi tiết, kết cấu máy gọn gàng rất nhiều. Tuy nhiên xy lanh nhiều tầng có giá thành cao hơn nhiều so với xy lanh đơn. Xy lanh nhiều tầng cũng có hai loại kết cấu: Xy lanh một chiều và Xy lanh hai chiều. Tuy nhiên loại xy lanh hai chiều có kết cấu rất phức tạp và đòi hỏi các thiết kế Hình 4.2: Xy lanh tác động đơn.
4.1 Xy lanh thủy lực 42 đặc biệt để ngăn ngừa các rủi ro. Xy lanh tác động hai phía (hình 4.5) được sử dụng khi cần tác động ở cả hai phía của xy lanh (kéo và đẩy đồng thời). Xy lanh này có cán xy lanh được gắn với quả piston ở cả hai phía. Khi một phía thò thì phía bên kia thụt và ngược lại. Lợi ích lớn nhất của xy lanh loại này là khi hai cán xy lanh có đường kính bằng nhau thì nó sẽ khử được sự chênh lệch áp suất, lưu lượng xảy ra đối với xy lanh cần một phía thông thường. Trong một số trường hợp lắp đặt khó khăn, nó cũng đặc biệt hữu dụng so với các loại xy lanh khác. Ngoài các loại xy lanh trên thì xy lanh quay cũng được dùng trong một vài trường hợp đặc biệt. Xy lanh quay sử dụng cơ cấu thanh răng - bánh răng để biến đổi chuyển động thẳng của các piston thành chuyển động quay vòng của trục. Hình 4.3: Xy lanh tác động kép. Hình 4.4: Xy lanh nhiều tầng. Hình 4.5: Xy lanh tác động hai phía.
4.1 Xy lanh thủy lực 43 Hình 4.6: Xy lanh quay (cơ cấu thanh răng - bánh răng). 4.1.3 Cách lắp ghép xy lanh thủy lực Có nhiều cách lắp ghép xy lanh vào các cơ cấu khác nhưng có thể được chia làm hai kiểu lắp ghép: Lắp cố định và lắp có chuyển động. Kiểu lắp cố định là cách khóa chặt xy lanh trong cơ cấu và không cho thân vỏ xy lanh chuyển động trong quá trình xy lanh làm việc thò – thụt (hình 4.7). Các cách cố định như: Dùng chân đế, bích lỗ lắp ghép, ghép ren cố định. Kiểu lắp có chuyển động thì ngược lại: Thân vỏ xy lanh có thể chuyển động khi xy lanh thò – thụt tùy theo kiểu lắp ghép (hình 4.8). Các kiểu lắp ghép loại này như: Xỏ chốt hai đầu, chao cầu tự lựa, ngõng trục giữa thân. Hình 4.7: Lắp xy lanh cố định Hình 4.8: Lắp xy lanh có chuyển động
4.1 Xy lanh thủy lực 44 4.1.4 Tính toán xy lanh thủy lực πD2 Xem xét một xy lanh kép có sơ đồ tính toán như hình với A = 4 là diện πd2 tích piston, a = 4 là diện tích cần piston, P1 là áp suất buồng xy lanh phía không cần, P2 là áp suất buồng xy lanh phía có cần. Khi duỗi ra, lưu lượng cấp vào xy lanh phía không cần là Qe, lưu lượng ra khỏi xy lanh phía có cần là qe. Khi co lại, lưu lượng cấp vào xy lanh phía có cần là qr, lưu lượng ra khỏi xy lanh phía không cần là Qr. • Vận tốc khi duỗi ra Q v = e . (4.1) e A • Vận tốc khi co lại q v = r . (4.2) r A − a • Lực đẩy tĩnh tạo ra bởi xy lanh (khi duỗi ra) Fe = P1A − P2(A − a). (4.3) • Lực kéo tĩnh tạo ra bởi xy lanh (khi co lại) Fr = P2(A − a) − P1A. (4.4) Khi kể đến lực quán tính, lực ma sát thì tải động của xy lanh nhỏ hơn (thông thường 90%). Khi tính toán và lựa chọn xy lanh thủy lực, bảng tra các thông số, đặc tính của xy lanh được sử dụng để thuận lợi cho việc xác định. 4.1.5 Kiểm tra bền cần piston (trạng thái uốn dọc) Khi xy lanh thủy lực được sử dụng để làm việc thì ngoài việc đảm bảo lực tạo ra theo yêu cầu thì cần piston còn phải thỏa mãn độ bền cần thiết để không rơi vào trạng thái bị uốn dọc (buckling). Khi đó lực tới hạn đặt trên đầu cần piston được tính theo công thức Euler như sau: π2EI F = , (4.5) sLk trong đó, E là mô đun đàn hồi của vật liệu làm cần piston, N/mm2 (đối với thép, E = 2, 1 × 105), I là mô men quán tính mặt cắt ngang cần piston πd4 4 (I = 64 = 0, 05d ), s là hệ số an toàn (s = 3 ÷ 5), và Lk là chiều dài tương đương của xy lanh thủy lực, phụ thuộc vào phương pháp cố định xy lanh và được tính như hình 4.10.
4.1 Xy lanh thủy lực 45 Hình 4.9: Bảng tra thông số xy lanh.
4.1 Xy lanh thủy lực 46 Hình 4.10: Chiều dài tương đương theo phương pháp cố định xy lanh. 4.1.6 Điều kiện làm việc của xy lanh thủy lực Một xy lanh làm việc đều có hai quá trình: tăng tốc từ trạng thái nghỉ đến vận tốc cực đại và giảm tốc từ vận tốc cực đại đến trạng thái nghỉ. Khi tăng tốc chú ý đến vận tốc và gia tốc của xy lanh (sinh ra lực quán tính). Cuối hành trình phải có kết cấu làm chậm chuyển động của xy lanh nhằm giảm quá trình va đập gây hỏng cho xy lanh (thực hiện quá trình giảm chấn). Vận tốc lớn nhất của xy lanh không giảm chấn là 8 m/phút, xy lanh giảm chấn trong là 12 m/phút và xy lanh giảm chấn ngoài là 45 m/phút. Tuy nhiên chỉ nên cho xy lanh làm việc ở vận tốc tối đa là 12 m/phút. Hiệu suất của xy lanh phụ thuộc vào điều kiện làm việc, áp suất trong mạch thủy lực và thường được xác định bằng thực nghiệm. 4.1.7 Bảo quản và vận hành xy lanh thủy lực • Bảo quản xy lanh thủy lực Khi xy lanh thủy lực chưa đưa vào sử dụng, đang còn lưu kho bãi, chúng cần được bảo quản để không bị ri sét với cách thực hiện như sau: điền đầy dầu thủy lực trong các khoang có thể; nút kín các lỗ cấp dầu ở hai đầu xy lanh thủy lực; bảo quản nơi khô ráo nhiệt độ trong nhà có mái che kín tránh mưa nắng; mặt ngoài xy lanh thủy lực quấn giấy nến sau khi bôi mỡ bảo quản các chỗ có thể rỉ sét như ắc và đầu cần thò ra ngoài.
4.1 Xy lanh thủy lực 47 • Khi xi lanh đưa vào vận hành Phải xúc rửa làm sạch dầu mỡ bảo quản. Gá xy lanh thủy lực đảm bảo chắc chắn các mối nối ống và ống dẫn dầu cứng hoặc mềm đảm bảo được kẹp chặt và di chuyển được theo thiết kế của máy. Xả hết khí trong hệ thủy lực nói chung và trong từng xi lanh nói riêng bằng cách qua các lối xả khí chuyên dùng hay bằng cách chạy nhiều lần với vận tốc chậm hết hành trình của xi lanh về cả hai phía và xả khí qua các nối ống. • Gá xi lanh đảm bảo hướng trọng tâm của phụ tải của xy lanh thủy lực phải trùng với đường tâm của cần piston đẩy hoăc kéo tránh bị công xôn, dễ dẫn đến cong cần và sẽ hỏng xi lanh. Chạy rô đa các xy lanh thủy lực ít nhất 24 giờ liên tục với sự gây tải ở áp suất 10 đến 50 bar tùy theo thiết bị. Chạy tối thiểu một ca máy 8 giờ có gây phụ tải theo yêu cầu của thiết bị với tần suất thấp hơn khi làm việc bình thường khoảng 2/3 (tải) công suất máy. • Gioăng phớt của xy lanh thủy lực chỉ bền ở điều kiện nhiệt độ dầu thấp hơn 55 độ C; nếu chạy ở nhiệt độ đầu cao sẽ chóng bị lão hóa mau hỏng làm cho tuổi thọ của xy lanh thủy lực vì vậy cũng giảm theo. Ở những môi trường làm việc có cát bụi bẩn nên có bao che cần piston tránh bụi cát bám trên cần gây xước mòn dẫn đến hỏng gioăng phớt.v.v. . . • Dầu công nghiệp: Độ nhớt dầu khuyên dùng cho các xy lanh thủy lực thông thường từ 20 đến 100 cantistok để xi lanh được tự bôi trơn khi chạy; độ tinh lọc dưới 20 đến 40 micronmet; càng tinh lọc xi lanh chạy càng bền. Nhiệt độ dầu dưới 65 độ C. • Áp suất làm việc của xy lanh thủy lực nên sử dụng nhỏ hơn áp suất định mức cho phép thấp hơn khoảng 10 đến 20 bar. Đối với xi lanh hàn cho phép chạy tới áp suất 210 bar. Còn đối với xi lanh vuông gá bằng 4 gu dông chỉ cho phép áp suất tối đa 140 bar. • Những xy lanh thủy lực không có giảm chấn hai phía nên sử dụng công tắc khống chế hành trình tránh quả piston thúc vào mặt bích hai phía của xi lanh. • Ở những nơi môi trường làm việc khắc nghiệt nên đặt hàng xi lanh chuyên dụng để có những biện pháp xử lý khi chế tạo chúng. Ví dụ: chống nóng, chống bụi, chống ăn mòn v.v. . . Nên đặt hàng xy lanh thủy lực chuyên dùng có các tính năng khắc phục những ảnh hưởng của môi trường làm việc trên.
4.2 Động cơ thủy lực 48 4.2 Động cơ thủy lực Động cơ thủy lực là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dòng chất lỏng thành động năng quay trên trục động cơ. Quá trình biến đổi năng lượng là dầu có áp suất được đưa vào buồng công tác của động cơ. Dưới tác dụng của áp suất, các phần tử của động cơ quay. Thông số cơ bản của động cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay Dm và hiệu áp suất vào và áp suất ra. 4.2.1 Động cơ dầu bán quay Các loại động cơ quay với góc quay < 360◦, đảo chiều, đi về làm cho cơ cấu công tác quét một góc làm việc cần thiết. Có nhiều loại động cơ dầu bán quay: cánh gạt đơn (hình 4.11), cánh gạt kép (hình 4.12), piston kết hợp cơ cấu thanh răng, bánh răng (hình 4.13), Hình 4.11: Động cơ cánh gạt đơn. Hình 4.12: Động cơ cánh gạt kép. Hình 4.13: Động cơ bán quay kiểu thanh răng - bánh răng.
4.2 Động cơ thủy lực 49 4.2.2 Động cơ dầu Tạo vận tốc quay liên tục, tùy loại động cơ có thể quay đảo chiều (quay liên tục). Nguyên lý làm việc của động cơ dầu giống như nguyên lý làm việc của bơm chỉ khác là động cơ dầu biến áp năng thành công cơ học còn bơm thì ngược lại, biến công cơ học thành áp năng. Các kiểu động cơ dầu giống như bơm thủy lực: động cơ bánh răng (hình 4.14), động cơ cánh gạt (hình 4.15, động cơ dầu piston hướng kính (hình 4.16), động cơ dầu piston hướng trục (hình 4.17), động cơ dầu piston hướng trục thay đổi được lưu lượng riêng (hình 4.18). Hình 4.14: Động cơ bánh răng. Hình 4.15: Động cơ cánh gạt.
4.2 Động cơ thủy lực 50 Hình 4.16: Động cơ dầu piston hướng kính. Hình 4.17: Động cơ dầu piston hướng trục. Hình 4.18: Động cơ dầu piston hướng trục thay đổi được lưu lượng riêng.
4.2 Động cơ thủy lực 51 4.2.3 Công thức tính toán động cơ 3 • Lưu lượng riêng Dm [m /vòng] là lưu lượng cung cấp cho động cơ để động cơ quay được một vòng. • Lưu lượng lý thuyết để động cơ quay với tốc độ nm (vòng/phút) D · n Q = m m (m3/s). T 60 • Lưu lượng thực cung cấp cho động cơ 3 QA = S · v(m /s), S: tiết diện ống dẫn (m2), v: vận tốc lưu chất trong ống dẫn (m/s). • Hiệu suất thể tích µv QT µv = . QA • Hiệu suất cơ µm 2π · T µm = , Dm · Pm 2 Pm: áp suất trên động cơ [N/m ], T : moment xoắn tạo ra trên trục động cơ [N.m]. • Hiệu suất toàn phần µo µo = µv · µm. • Công suất lý thuyết của động cơ NT NT = QT · Pm. • Công suất thực trên trục động cơ NA NA = NT · µo.
Chương 5 Thiết bị phụ Bên cạnh các thiết bị chính đảm bảo chức năng hoạt động của mạch thủy lực thì hệ thống thủy lực cần thêm những thiết bị phụ làm chức năng hox trợ hoạt động của mạch. Các thiết bị phụ bao gồm: thùng dầu, bộ lọc dầu, thiết bị làm mát, ống thủy lực, và ắc quy thủy lực. 5.1 Thùng dầu Thùng dầu có nhiệm vụ 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 cặn bã trong quá trình làm việc, và tách nước lẫn trong dầu. Kích thước bể dầu được lựa chọn phụ thuộc vào điều kiện làm việc. Đối với các loại bể dầu di chuyển (bể dầu trên xe vận chuyển) thì chọn như sau: V = 1, 5Q với Q là lưu lượng cần thiết trong mạch thủy lực khi tất cả các thiết bị đều làm việc đồng thời. Đối với các loại bể dầu cố định (bể dầu trong các máy, dây chuyền) thì bể dầu được chọn như sau: V = (3 ÷ 5)Q. 5.2 Bộ lọc dầu Nhiệm vụ của bộ lọc là lọai bỏ chất bẩn có trong dầu thủy lực. Do trong quá trình làm việc, dầu không thể tránh khỏi bị nhiễm bẩn do các chất bẩn từ bên ngoài vào hoặc do bản thân dầu tạo nên. Những chất bẩn ấy làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ trong các cơ cấu dầu ép, gây nên những trở ngại hư hỏng trong hoạt động của hệ thống. Bộ lọc dầu thường đặt ở ống hút của bơm dầu. Trong trường hợp cần dầu sạch hơn, đặt thêm một bộ nữa ở cửa ra của bơm và một bộ ở ống xả của hệ thống dầu ép.
5.2 Bộ lọc dầu 53 Hình 5.1: Thùng dầu thủy lực. Hình 5.2: Các loại bộ lọc dầu. Tùy theo kích thước chất bẩn có thể lọc được mà bộ lọc được phân thành nhiều loai bộ lọc khác nhau. Bộ lọc thô có thể lọc những chất bẩn đến 0,1mm. Bộ lọc trung bình có thể lọc những chất bẩn đến 0,01mm. Bộ lọc tinh có thể lọc những chất bẩn đến 0,05mm. Bộ lọc đặc biệt tinh có thể lọc những chất bẩn đến 0,001mm. Tùy theo kết cấu, bộ lọc cũng phân chia ra nhiều loại khác nhau. Bộ lọc lưới là loại bộ lọc dầu đơn giản nhất gồm có khung cứng và lưới bằng đồng bao chung quanh. Dầu từ ngoài xuyên qua các mắc lưới và các lỗ để vào ống hút. Hình dạng và kích thước của bộ lọc lưới rất khác nhau tùy thuộc vào vị trí và công dụng của bộ lọc. Do sức cản của lưới nên dầu khi qua lỗ lọc bị giảm áp suất, tổn thất áp suất thường lấy ∆p = 1 − 2 bar. Nhược điểm của bộ lọc lưới là chất bẩn dễ bám vào bề mặt lưới và khó tẩy ra. Do đó thường dùng nó để lọc thô, như lắp vào ống hút của bơm. Trường hợp này phải dùng thêm bộ lọc tinh ở ống ra. Bộ lọc lá dùng những lá thép mỏng để lọc dầu. Những lá thép hình tròn và những lá thép hình sao. Những lá
5.3 Thiết bị làm mát 54 thép này được lắp đồng tâm trên trục, tấm nọ trên tấm kia. Yêu cầu chất lỏng lọc phụ thuộc vào bề dày của lá thép. Bề dày này thông thường là 0,08; 0,12; 0,2; 0,3mm. Số lượng lá thép cần thiết phụ thuộc vào lưu lượng cần lọc, nhiều nhất là 1000 ÷ 1200 lá. Tổn thất áp suất lớn nhất là ∆p = 4 bar. Lưu lượng lọc có thể từ 8 ÷ 100 lít/phút. Ngày nay người ta thay lá thép bằng sợi thủy tinh. Độ bền của 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 hưởng về cơ và hóa của chất lỏng gây ra. 5.3 Thiết bị làm mát Dầu thủy lực sau khi trở về thùng thường có nhiệt độ cao hơn lúc đi vào hệ thống. Tùy theo áp suất làm việc của hệ thống mà sự thay đổi nhiệt độ này của dầu cao hay thấp. Để làm hạ nhiệt độ của dầu thủy lực phải dùng hệ thống làm mát, thường giống như hệ thống làm mát của động cơ (làm mát bằng nước hoặc bằng gió) (hình 5.3). 5.4 Ống dẫn, đầu nối 5.4.1 Ống dẫn Ống dẫn dùng trong hệ thống thủy lực phổ biến là ống cứng (ống đồng và ống thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống dẫn mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 135◦C). Ống dẫn cần phải bảo đảm 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 thay đổi hướng chuyển động của dầu. Hình 5.3: Các loại bộ lọc dầu.
5.4 Ống dẫn, đầu nối 55 5.4.2 Đầu nối Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu tương đối cao về độ bền và độ kín. Tùy theo điều kiện làm việc ta có thể cố định hay tháo được. Có hai loại ống nối: ống nối vặn ren được và ống nối với khớp tháo lắp nhanh, xem hình 5.5. Khi lắp ống dẫn mềm với đầu nối phải tuân theo các yêu cầu của hệ thống thủy lực để đảm bảo các ống không bị hư hỏng hay phá hủy. Nguyên tắc lắp ống dẫn mềm vào đầu nối được trình bày trong hình 5.6. Hình 5.4: Ống dẫn thủy lực. Hình 5.5: Đầu nối ống thủy lực. Hình 5.6: Cách lắp ống dẫn mềm vào đầu nối.
5.5 Ắc quy thủy lực 56 5.5 Ắc quy thủy lực Ắc quy thủy lực là cơ cấu dùng trong hệ thống truyền dẫn thủy lực để điều hòa năng lượng thông qua áp suất và lưu lượng của chất lỏng làm việc. Tùy theo nguyên lý họat động, ắc quy thủy lực có nhiều loại khác nhau: ắc quy trọng lực, ắc quy lò xo, ắc quy thủy khí. 5.5.1 Bình ắc quy trọng lực Ắc quy trọng lực tạo ra một áp suất lý thuyết hoàn toàn cố định, nếu bỏ qua lực ma sát phát sinh ở chỗ tiếp xúc giữa cơ cấu làm kín piston và không tính đến lực quán tính của piston chuyển dịch khi thể tích bình ắc quy thay đổi trong quá trình làm việc. Ắc quy loại này yêu cầu phải bố trí trọng vật thật đối xứng so với piston, 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 hưởng xấu đến sự làm việc ổn định của bình chứa. 5.5.2 Bình ắc quy chứa lò xo Quá trình tích lũy năng lượng ở bình lò xo là quá trình biến dạng của lò xo. Bình ắc quy lò xo có quán tính nhỏ hơn so với bình ắc quy trọng lực, vì vậy nó được sử dụng để làm tắt những va đập thủy lực trong các hệ thủy lực. 5.5.3 Bình ắc quy thủy khí Bình ắc quy thủy khí lợi dụng tính nén được của khí, để tạo ra áp suất chất lỏng. Tính chất này làm cho bình có khả năng giảm chấn. Trong bình ắc quy trọng vật áp suất hầu như cố định không phụ thuộc vào vị trí piston. Trong bình ắc quy lò xo, áp suất thay đổi tỉ lệ tuyến tính, còn trong bình ắc quy thủy khí, áp suất thay đổi theo những định luật thay đổi áp suất của chất khí. Hình 5.7: Ắc quy trọng lực.
5.5 Ắc quy thủy lực 57 Hình 5.8: Ắc quy lò xo. Hình 5.9: Ắc quy thủy khí. Hình 5.10: Ắc quy thủy khí.
Chương 6 Mạch thủy lực thông thường 6.1 Mạch điều khiển áp suất 6.1.1 Mạch thủy lực với một van tràn trực tiếp Hầu hết các mạch thủy lực với một xylanh và một van tràn (relief valve). Khi van điều khiển ở vị trí trung gian, dầu từ bơm đi về thùng thông qua cửa thoát. Khi van điều khiển di chuyển qua trái hay phải, tương ứng là piston đi vào hoặc đi ra. Khi piston đến cuối hành trình thì áp suất dầu tăng lên và van tràn mở ra cho dầu trở về thùng. Trong quá trình làm việc nếu piston gặp trường hợp quá tải tức áp suất tăng lên thì van tràn lập tức mở ra. Chức năng chính của van tràn là bảo vệ xylanh và bơm tránh trường hợp quá tải. Hình 6.1: Mạch thủy lực điều khiển bằng tay với van tràn trực tiếp.
6.1 Mạch điều khiển áp suất 59 6.1.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp Mạch này điều chỉnh áp suất ở mạch chính bằng việc lắp thêm van tràn tại một vị trí thích hợp. Bơm khi khởi động trong điều kiện không tải bởi vì dầu đi thẳng về thùng thông qua cửa thoát. Hình 6.2: Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp. 6.1.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp (unloading van) Mạch này còn được gọi là mạch Hi - Lo. Mạch này có tác dụng nhanh nhờ việc sử dụng 2 bơm. Bơm A là bơm có áp suất thấp nhưng lưu lượng cao. Bơm B là bơm có áp suất cao nhưng lưu lượng thấp. Khi mạch hoạt động dầu cung cấp cho mạch tư hai bơm. Khi áp suất mạch tăng và đạt giới hạn 20 kg/cm2 thì van C mở ra và dầu trở về thùng. Chỉ có bơm B chịu tải trọng của mạch. Khi áp suất của mạch tăng đến 70 kg/cm2 thì van D mở ra dầu trở về thùng. 6.1.4 Mạch tuần tự Là mạch phải có nhiều hơn 2 xylanh được nối với nhau. Mạch này phải được xác định nguyên lý làm việc trước. Ví dụ như trên máy công cụ.
6.2 Mạch điều khiển lưu lượng 60 Hình 6.3: Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp. Hình 6.4: Mạch thủy lực tuần tự. 6.1.5 Mạch hãm cân bằng Mạch này làm giảm chuyển động tự do của vật mà không cần cơ cấu đỡ. Như trong trường hợp máy khoan, cần thiết phải làm giảm chuyển động đi xuống của mũi khoan. 6.2 Mạch điều khiển lưu lượng 6.2.1 Mạch điều khiển lưu lượng vào Vận tốc của xylanh được điều khiển bằng van tiết lưu (flow control valve) trên đường dầu cung cấp. Cần thiết nối với bộ hãm cân bằng. Trong mạch
6.2 Mạch điều khiển lưu lượng 61 Hình 6.5: Mạch hãm cân bằng. này bơm luôn luôn cung cấp lưu lượng dầu trên đường ống vượt mức giới hạn và qua van tràn về thùng. Áp suất P1 không phụ thuộc với áp suất P2. Khi tải trọng nhỏ, công suất mất đi lớn và cũng là nguyên nhân gây cho dầu tăng nhiệt độ. 6.2.2 Mạch điều khiển lưu lượng ra Trên đường dầu về thùng được lắp van tiết lưu, nhằm giữ cho vận tốc đi ra của xylanh không đổi khi tải trọng thay đổi tức thời. Áp suất dầu cung cấp không phụ thuộc với áp suất đặt ở xylanh và cũng là nguyên nhân tạo nhiệt trong dầu. Hình 6.6: Mạch điều khiển lưu lượng.
6.2 Mạch điều khiển lưu lượng 62 6.2.3 Mạch vi sai Mạch vi sai là mạch được sử dụng để tăng vận tốc hoạt động tức thời của piston. Việc tăng vận tốc piston mà không tăng lưu lượng cung cấp dầu của bơm. Hình 6.7: Mạch vi sai. 6.2.4 Mạch thay đổi vận tốc Hình 6.8: Mạch thay đổi vận tốc.
6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 63 6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 6.3.1 Mạch sử dụng công tắc hành trình và chuyển động của van bằng điện từ Khi xylanh đến cuối hành trình, công tắc hành trình hoạt động, tức là cung cấp điện cho solenoid relay điều khiển van trực tiếp. Hình 6.9: Mạch điều khiển trực tiếp bằng các công tắc hành trình. 6.3.2 Mạch sử dụng nhiều van điều khiển nối với nhau Mạch nối song song (hình 6.10) là mạch nối nhiều của cổng van song song với nhau. Mọi van điều có thể hoạt động đồng thời. Cơ cấu chấp hành có tải trọng nhỏ thì sẽ hoạt động trước bởi vì áp suất dầu cần thiết cho hoạt động nhỏ. Áp suất dầu trong mạch được tải trọng của cơ cấu chấp hành. Mạch này cần có một van một chiều để tránh tác động quá tải xảy ra bất ngờ. Mạch riêng lẻ (hình 6.11) không thể hoạt động đồng thời nhiều cơ cấu chấp hành. Bởi vì dầu cung cấp tới cơ cấu này thì cơ cấu khác dầu không được cung cấp. Mạch nối tiếp (hình 6.12): mạch này dòng dầu về của cơ cấu chấp hành này thì nó trở thành dòng dầu cung cấp cho cơ cấu khác. Mạch này nó có thể hoạt động hơn 2 cơ cấu chấp hành cùng lúc, nhưng áp suất cung cấp cho 2 cơ cấu này phải nhỏ hơn áp suất ở van tràn chính (relief valve).
6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 64 Hình 6.10: Mạch nối song song.
6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 65 Hình 6.11: Mạch riêng lẻ.
6.3 Mạch điều khiển trực tiếp 66 Hình 6.12: Mạch nối tiếp.
6.4 Mạch thủy lực ứng dụng 67 6.4 Mạch thủy lực ứng dụng 6.4.1 Máy ép thủy lực Hình 6.13: Mạch máy ép thủy lực. 6.4.2 Ngàm kẹp thủy lực Hình 6.14: Ngàm kẹp thủy lực.
Chương 7 Đại cương về khí nén 7.1 Giới thiệu về kỹ thuật khí nén Hiện nay kỹ thuật khí nén rất là phát triển, đã chế tạo ra những phần tử logic khí nén và đã được thương mại hóa bên cạnh các cơ cấu chấp hành khác như là xy lanh, động cơ, van phân phối khí nén. Điều này tạo ra sự phát triển của công nghệ tự động hóa dựa vào kỹ thuật khí nén ngày càng mạnh mẽ. Bên cạnh đó có thể kết hợp các phần tử logic khí nén với các mạch điện tử làm cho quá trình tự động hóa hệ thống khí nén đạt tốc độ và độ chính xác cao. Ngoài ra còn có thể kết hợp điều khiển khí nén với bộ điều khiển logic lập trình được (PLC). Trong lĩnh vực dầu khí thì các thiết bị điều khiển cũng chỉ dùng khí nén mà không dùng các linh kiện điện tử nhằm mục đích an toàn vế cháy, nổ. Tuy nhiên sử dụng khí nén cũng có những nhược điểm như: không khí thường qua máy nén khí để tạo áp suất cần thiết, phải xử lý tạp chất như bụi, hơi nước, dầu để được khí nén có chất lượng cao (nếu không sẽ gây gỉ, mòn và mau làm hỏng thiết bị). Tính nén được của không khí làm vận tốc chuyển động không ổn định. Lực làm việc của khí nén không lớn lắm do bị giới hạn áp suất làm việc (p < 10 bar). Làm việc ồn (xả khí), khắc phục bằng các bộ giảm thanh. Trước tiên ta tìm hiểu một số khái niệm cơ bản trong kỹ thuật khí nén. Giống như đặc điểm của truyền động lưu chất (khi một lực tác động vào một đầu của cột chất lỏng bị hạn chế, lực đó sẽ truyền thẳng thông qua cột chất lỏng đến phía đầu đối diện, nhưng đồng thời cũng bằng và không giảm ở tất cả các hướng khác, về phía 2 bên, phía trên và phía dưới), truyền động khí nén cũng tuân theo định luật Pascal. i) Áp suất tĩnh tác động theo mọi hướng là như nhau tại cùng một thời điểm. ii) Áp suất luôn luôn tác động vuông góc với bề mặt tiếp xúc với chất lỏng (khí). iii) Áp suất tác động lên bề mặt tiếp xúc sẽ bằng lực chia cho diện tích bề mặt mà chất lỏng (khí)
7.2 Đặc điểm của không khí 69 tiếp xúc. Dòng chảy và sự sụt áp: Bất cứ khi nào một chất khí tuôn chảy, phải có một sự không cân bằng để tạo ra sự di chuyển của dòng lưu chất. Do đó, khi một chất khí (không khí nén là một chất khí) đi qua một đường ống có đường kính không đổi, áp suất phía hạ lưu sẽ luôn luôn thấp hơn ở bất kỳ điểm nào ở phía thượng lưu. Sự chênh lệch về áp suất hay là sự sụt áp bị gây ra do ma sát giữa các phân tử khí với thành ống dẫn. Do đó tình trạng bề mặt bên trong sẽ ảnh hưởng đến sự sụt áp trong hệ thống đường ống. Sự ma sát này sẽ tạo ra nhiệt, sự sụt áp là một tổn thất thường xuyên cố định; nó được chuyển đổi thành nhiệt năng và không thu lại được. Ngay khi dòng chảy ngưng lại, định luật Pascal phải được ứng dụng đối với trạng thái thủy tĩnh và áp suất ở tất cả các bộ phận của hệ thống ống là như nhau. Dòng chảy qua lỗ định cỡ: Lỗ định cỡ là một lỗ có diện tích mặt cắt ngang nhỏ hơn đường ống dẫn. Lỗ định cỡ được sử dụng để kiểm soát dòng lưu chất hay tạo ra sự chênh lệch áp suất (van giảm áp). Khi không khí nén được xả ra bầu khí quyển thông qua lỗ định cỡ thì tốc đô mà không khí nén xả ra lỗ định cỡ là tốc độ âm thanh. Tốc độ này phụ thuộc vào hai yếu tố: hình dáng hoặc là loại lỗ định cỡ; sự chênh lệch áp suất ngang qua lỗ định cỡ. Nếu áp suất phía thượng lưu của lỗ định cỡ cao hơn áp suất phía hạ lưu là 140KPa (1,4 bar), khi đó nó có thể được giả định rằng tốc độ mà dòng không khí nén đi qua là tốc độ âm thanh. Bây giờ bất chấp áp suất phía thượng lưu tăng lên bao nhiêu, dòng khí vẫn ở tốc độ âm thanh. Hiện tượng này là một đặc điểm quan trọng của không khí nén, mà việc điều khiển tốc độ của các cơ cấu dẫn động tuyến tính tác động kép phụ thuộc vào. 7.2 Đặc điểm của không khí Không khí là một chất khí không màu, không mùi, không vị. Thành phần không khí trong khí quyển bao gồm N2 (78%), O2 (21%), còn lại là các thành phần hơi nước, bụi, khí CO2,H2, Ngoài những thành phần chính của khí thì các thành phần còn lại là các tác nhân gây ra sự hoạt động không chính xác của các phần tử khí nén (mòn nhanh, gỉ sét, ), vì vậy cần phải có những biện pháp cần thiết để loại bỏ các thành phần đó ra khỏi hệ thống khí nén. Lực tác động vào một mét vuông do một cột không khí tính từ mực nước biển đến tầng ngoài cùng nhất của bầu khí quyển xấp xỉ bằng 101.300 N. Do đó áp suất khí quyển tuyệt đối ở mức nước biển vào khoảng 101,3 KPa (1,013 bar). Áp suất khí quyển có thể được đo bằng một khí áp kế. Bất kỳ áp suất nào bên dưới áp suất khí quyển đều được gọi là áp suất chân không. Mọi giá trị áp suất được đo so với chân không tuyệt đối (Pa = 0) được gọi áp suất tuyệt đối. Giá trị áp suất được đo so với áp suất khí quyển gọi là
7.2 Đặc điểm của không khí 70 Hình 7.1: Thành phần không khí. áp suất tương đối. Trong hệ thống khí nén hầu hết các đồng hồ đo áp suất dựa trên cơ sở áp suất của bầu khí quyển. Điều này có nghĩa là áp suất khí quyển được xem như áp suất zero. Độ ẩm không khí: Khí quyển là khí hỗn hợp của hơi nước và không khí. Theo định luật Dalton, áp suất toàn phần của khí hỗn hợp là tổng của các áp suất riêng phần. Khi nước được dẫn vào một không gian kín có chứa không khí, nước sẽ bốc hơi cho đến chừng nào hơi nước đạt được áp suất 0 bão hòa pw, khi đó, áp suất p của khí hỗn hợp trong không gian kín đó, theo 0 Dalton là: p = pkhông khí + pw, trong đó p là áp suất toàn phần (hơi nước và 0 không khí), pkhông khí là áp suất riêng phần (áp suất không khí khô), và pw là áp suất riêng phần (áp suất của hơi nước bão hòa). Lượng nước bốc hơi cần 0 thiết để đạt được áp suất bão hòa (pw) chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ không khí và lượng không khí, chứ không phụ thuộc vào áp suất của không khí. Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong một thể tích hỗn hợp dạng khí nhất định. Đơn vị phổ biến nhất dùng để tính độ ẩm tuyệt đối là gam trên mét khối (g/m3). Độ ẩm tương đối không khí được biểu thị dưới dạng % của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào với hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa. Định nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão
7.3 Đặc điểm của truyền động khí nén 71 Hình 7.2: Áp suất tuyệt đối và áp suất dư (áp suất tương đối). hòa. Khi hơi nước bão hoà, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương (lượng ẩm bảo hòa). Lượng ẩm tuyệt đối Độ ẩm tương đối = × 100%. Lượng ẩm bảo hòa 7.3 Đặc điểm của truyền động khí nén • Độ an toàn khi quá tải: Khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn, thì truyền động vẫn an toàn, không có sự cố, hư hỏng xảy ra. • Sự truyền tải năng lượng: Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền tải bằng khí nén tương đối thấp. • Tuổi thọ và bảo dưỡng: Hệ thống điều khiển và truyền động bằng khí nén hoạt động tốt, khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây nên ảnh hưởng đối với môi trường. Tuy nhiên hệ thống đòi hỏi rất cao vấn đề lọc chất bẩn của áp suất không khí trong hệ. • Khả năng thay thế những phần tử, thiết bị: Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế những phần tử dễ dàng. • Vận tốc truyền động: Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nên truyền động có thể đạt được với vận tốc rất cao. • Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất: Truyền động bằng khí nén có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách đơn giản. Tuy nhiên với sự thay đổi tải trọng tác động, thì vận tốc bị thay đổi. • Vận tốc truyền tải: Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm.
7.4 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén 72 7.4 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén Các thiết bị khí nén sử dụng trong mạch được thể hiện bởi các ký hiệu chỉ rõ chức năng của từng thiết bị. Hình 7.3: Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén.
Chương 8 Cung cấp và xử lý khí nén 8.1 Máy nén khí 8.1.1 Máy nén khí thể tích Máy nén khí thể tích hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Không khí được dẫn vào buồng chứa kín, khi thể tích buồng chứa nhỏ lại, áp suất trong buồng chứa tăng lên. Sự thay đổi áp suất sẽ làm đóng mở các van hút, xả của máy nén khí, đẩy khí vào bình chứa. Máy nén khí piston là máy dùng động cơ đốt trong, trực tiếp là piston để tạo ra khí nén áp suất cao có thể lên đến 40 MPa hoặc có thể cao hơn nữa. Kiểu máy này được sử dụng một cách phổ biến. Trong kiểu máy này người ta phân biệt nó thành máy nén khí áp suất thấp, áp suất trung bình và áp suất cao. Để cho áp suất khí nén cao hơn, người ta thiết kế ra máy nén khí nhiều cấp. Đầu tiên khí nén được hút vào bởi một piston, sau đó khí nén được làm nguội và tiếp tục đi tới một piston khác để đi ra ngoài. Máy nén khí kiểu piston một cấp có thể hút được lưu lượng khí là 10 m3/phút và Hình 8.1: Máy nén khí kiểu piston.
8.1 Máy nén khí 74 Hình 8.2: Máy nén khí kiểu piston ba cấp. tạo ra áp suất khí nén được là 6 bar, cao nhất có thể lên đến 10 bar. Trong khi đó, máy nén khí kiểu piston hai cấp có thể nén đến áp suất 15 bar. Loại máy nén khí kiểu piston 3, 4 cấp có thể nén áp suất đến 250 bar. Sự nén ở áp suất cao kèm theo một lượng nhiệt tỏa ra rất lớn, vì vậy cần phải làm nguội khí nén qua thiết bị trung gian. Những máy nén khí kiểu piston gián đoạn có thể làm nguội bằng khí hoặc nước. Lưu lượng của máy nén piston (lít/phút) được tính bằng công thức sau: Q = V.n.η10−3, (8.1) trong đó, V là thể tích của khí nén tải đi trong một vòng quay (cm3), n là số vòng quay của động cơ máy nén (vòng/phút), và η là hiệu suất nén (%). Máy nén khí kiểu màng: Kiểu máy này là một bộ phận trong nhóm những máy nén khí kiểu piston. Một màng riêng biệt với piston và buồng hút. Như vậy không khí không tiếp xúc với các chi tiết chuyển động. Cho nên tuyệt đối loại trừ chất bẩn như dầu bôi trơn. Kiểu máy này được sử dụng trong những ngành bào chế dược liệu, công nghệ thực phẩm, công nghệ hóa học. Máy nén khí kiểu cánh gạt họat động theo nguyên lý sau: không khí sẽ được hút vào buồng hút, trong biểu đồ p˘V ứng đoạn d˘a. Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rôto quay chiều sang phải, thì không khí sẽ vào buồng nén, trong biểu đồ p˘V tương ứng đoạn a˘b. Sau đó khí nén sẽ vào buồng đẩy, trong biểu đồ tương ứng đoạn b˘c. Đặc tính máy nén khí này là kích thước choáng chổ của nó nhỏ, không có cả tiếng động. Lưu lượng ra không đổi.
8.1 Máy nén khí 75 Hình 8.3: Máy nén khí kiểu màng. Hình 8.4: Máy nén khí kiểu cánh gạt. 8.1.2 Máy nén khí kiểu root Máy nén khí kiểu root gồm có 2 hoặc 3 cánh quạt (piston có dạng hình số 8), xem biểu diễn ở hình 2.16. Các piston đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quá trình quay không tiếp xúc với nhau. Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa 2 piston, khe hở giữa phần quay và thân máy. Máy nén khí kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thay đổi thể tích, mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau. Điều đó có nghĩa là, khi rôto quay được một vòng, thì vẫn chưa tạo áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rôto quay tiếp đến vòng thứ 2, thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy. Với nguyên tắc hoạt động này, dẫn đến tiếng ồn tăng lên. 8.1.3 Máy nén khí kiểu tuabin Máy nén khí kiểu tuabin hoạt động theo nguyên lý động năng. Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng của các cánh dẫn. Nguyên lý hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn.
8.2 Bộ lọc 76 8.2 Bộ lọc Không khí nén vào bình chứa qua cửa xoắn phát sinh một chuyển động xoắn và lực ly tâm có tác dụng làm lắng các phần tử nhỏ chất lỏng, chất rắn. Các tạp chất được thải ra ở đáy bình chứa. Kích thước lỗ lọc thường khoảng 5 Hình 8.5: Máy nén khí kiểu root. Hình 8.6: Máy nén khí kiểu tuabin. Hình 8.7: Bộ lọc khí.
8.3 Bộ điều chỉnh áp suất 77 ÷ 70 µm, cũng có những bộ lọc có kích thước lỗ đến 0,01 µm. Trong trường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu phần tử lọc được chọn là sợi thủy tinh, có khả năng tách nước trong khí nén đến 99,9%. Khi lượng nước ngưng tụ đến vạch mức giới hạn, có thể thải ra ngoài bằng vít hay thải bằng hệ thống tự động. Mực nước ngưng tụ được kiểm tra một cách hợp lý theo điều kiện làm việc và môi trường để nó không vượt quá vạch chỉ thị trên bình chứa. Nếu mực nước vượt quá giới hạn cho phép, nó có nguy cơ xâm hại vào trong mạng lưới phân phối của khí nén. 8.3 Bộ điều chỉnh áp suất Bộ điều chỉnh áp suất có 2 chức năng quan trọng: i) Duy trì áp suất thứ cấp (áp suất điều chỉnh) gần như không đổi, không phụ thuộc vào sự dao động của áp suất phía sơ cấp (phía nạp). ii) Duy trì áp suất thứ cấp gần như không đổi, không phụ thuộc vào sự dao động về lưu lượng yêu cầu ở phía thứ cấp (phía ra). 8.3.1 Bộ điều chỉnh áp suất không có lỗ thoát Vít điều chỉnh nén lò xo, dẫn tới đẩy màng. Tùy theo sự điều chỉnh của vít và lực lò xo mà các dòng khí ở phía sơ cấp, thứ cấp tăng lên hoặc giảm đi và cơ cấu đẩy lệch thêm hoặc kém đi mà mặt tựa của van sẽ được đóng kín. Nếu lượng khí thứ cấp tăng, màng sẽ bị ép và di chuyển ngược với chiều tác động của lò xo. Lúc bấy giờ lò xo phía trên ép cơ cấu xuống phía dưới và bề Hình 8.8: Bộ điều chỉnh áp suất khí không có lỗ thoát.
8.4 Thiết bị bôi trơn 78 mặt đỡ của van hãm lại sự đi qua của dòng khí, lượng khí ở bên thứ cấp có thể tụ lại nơi nguồn phát sinh thuộc phía sơ cấp. 8.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất có lỗ thoát Áp suất được giữ ổn định bởi màng, khi áp suất sơ cấp tăng lên làm con trượt đi xuống làm giảm tiết diện dòng khí, giữ áp suất thứ cấp không đổi. Khi áp suất sơ cấp giảm xuống, lò xo đẩy con trượt đi lên làm tăng tiết diện dòng khí. Kết quả áp suất thứ cấp vẫn không đổi. Nếu áp suất phía thứ cấp tăng mạnh, màng sẽ bị nén mạnh ngược với lực tác động của lò xo, bộ phận chính giữa của màng hình thành lối đi qua và khí có thể thoát qua ở hai lỗ bên dưới. 8.4 Thiết bị bôi trơn Thiết bị bôi trơn không khí được sử dụng rộng rãi nhằm làm giảm sự ma sát và ăn mòn trong các van khí, các bộ phận tác động tuyến tính và các động cơ khí. Dầu bôi trơn được trộn vào khí nén dưới dạng sương và đi vào các thiết bị, khe hở và các bạc lót, những nơi có sự trượt trong chuyển động có thể gây nên sự mài mòn. Các bộ bôi trơn không khí ứng dụng sự chênh lệch áp suất khi dòng khí chảy qua một ống khuếch tán (ống Ventury). Trong ống khuếch tán, vận tốc dòng chảy sẽ gia tăng vì nó đi qua đoạn ống có kích thước bị nhỏ lại và phía sau chỗ giới hạn (chỗ đường ống bị nhỏ lại) áp suất tĩnh sẽ giảm. Chính sự giảm áp suất này là nguyên nhân trực tiếp hút dầu bôi trơn vào dòng khí. Hình 8.9: Bộ điều chỉnh áp suất khí có lỗ thoát.
8.5 Nhóm thiết bị điều hòa 79 8.5 Nhóm thiết bị điều hòa Nhóm này bao gồm ba bộ phận nối tiếp nhau: bộ lọc khí (F), bộ điều chỉnh áp suất (R), bộ thiết bị bôi trơn (L). Khi sử dụng cần tuân thủ nghiêm ngặt các qui định của nhà sản xuất. Áp suất cung cấp không được vượt quá giá trị biểu thị trên nhóm. Nhiệt độ môi trường không được vượt quá 60◦C. 8.6 Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp được chia thành ba giai đoạn: i) Lọc thô: Làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra để tách chất bẩn, bụi. Sau đó khí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước. Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén. ii) Sấy khô: Giai Hình 8.10: Thiết bị bôi trơn. Hình 8.11: Nhóm thiết bị điều hòa.
8.6 Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp 80 đoạn này xử lý khí nén tùy theo chất lượng yêu cầu của khí nén. iii) Lọc tinh: Xử lý khí nén trong giai đoạn này trước khi đưa vào sử dụng. Giai đoạn này rất cần thiết cho hệ thống điều khiển. 8.6.1 Bình ngưng tụ - Làm lạnh khí nén bằng không khí (bằng nước) Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ. Tại đây áp suất khí sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khí sẽ được ngưng tụ và tách ra. Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trong khoảng từ +30◦C đến +35◦C. Làm lạnh bằng nước (ví dụ nước làm lạnh có nhiệt độ là +10◦C) thì khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là +20◦C. 8.6.2 Sấy khô bằng chất làm lạnh Nguyên lý hoạt động của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh: Khí nén từ máy nén khí qua bộ phận trao đổi nhiệt, làm giảm nhiệt độ của không khí nén đến nhiệt độ điểm sương. Lượng hơi nước trong dòng khí nén đi vào sẽ được tạo thành từng giọt nhỏ. Ngoài lượng nước ngưng tụ thì các chất bẩn, dầu bôi trơn cũng được tách ra. 8.6.3 Sấy khô bằng hấp thụ Dòng khí nén từ máy nén khí sẽ được dẫn vào bình chứa chất sấy khô (chất háo nước). Tại đây lượng không khí ẩm sẽ được giữ lại, khí nén sẽ được dẫn Hình 8.12: Thiết bị sấy khô khí nén bằng chất làm lạnh.