Bài giảng hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén

Bài giảng hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén đh BK HN

Trang 1

BỘ MÔN TỰ ðỘNG HOÁ CBGD: THS.UÔNG QUANG TUYẾN

HÀ NỘI - 2009

BÀI GIẢNG ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG THUỶ LỰC - KHÍ NÉN BM.TỰ ðỘNG HOÁ

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN THUỶ LỰC - KHÍ NÉN

1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền ñộngthủy lực

1920 hệ thống truyền ñộng thuỷ lực ñã ứng dụng trong lĩnh vực máy công

cụ

1925 hệ thống truyền ñộng thuỷ lực ñược ứng dụng trong nhiều lĩnh vựccông nghiệp khác như: nông nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, giaothông vận tải, hàng không,

1960 ñến nay hệ thống truyền ñộng thuỷ lực ñược ứng dụng trong tự ñộnghóa thiết bị và dây chuyền thiết bị với trình ñộ cao, có khả năng ñiều khiểnbằng máy tính hệ thống truyền ñộng thủy lực với công suất lớn

Trang 2

ThS.Uông Quang Tuyến

1.2 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của hệ thống ñiều khiển bằng thuỷ lực, khínén

1.2.1 Ưu ñiểm

Truyền ñộng ñược công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu tương ñối ñơn giản, hoạt ñộng với ñộ tin cậy cao nhưng ñòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng)

ðiều chỉnh ñược vận tốc làm việc tinh và vô cấp, (dễ thực hiện tự ñộng hoá theo ñiều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn)

Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau

Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao

Nhờ quán tính nhỏ của bơm và ñộng cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va ñập mạnh (nhưtrong cơ khí và ñiện)

Dễ biến ñổi chuyển ñộng quay của ñộng cơ thành chuyển ñộng tịnh tiến của cơ cấu chấp hành

Dễ ñề phòng quá tải nhờ van an toàn

Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch

Tự ñộng hoá ñơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hoá

Trang 3

b Lưu lượng(Q): m3/phút hoặc l/phút

Trong cơ cấu biến ñổi năng lượng dầu ép (bơm dầu, ñộng cơ dầu) cũng cóthể dùng ñơn vị là m3/vòng hoặc l/vòng

1.3.4 Lực (F): ðơn vị lực là Newton (N)

1N = 1kg.m/s2

1.3.5 Công suất (N): ðơn vị công suất là Watt (W)

1.4 So sánh các loại truyền ñộng

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CUNG CẤP DẦU VÀ XỬ LÝ

2.1 Máy bơm và ñộng cơ dầu

2.1.1 Nguyên lý chuyển ñổi năng lượng

Bơm và ñộng cơ dầu là hai thiết bị có chức năng khác nhau Bơm là thiết bịtạo ra năng lượng, còn ñộng cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng này Tuythế kết cấu và phương pháp tính toán của bơm và ñộng cơ dầu cùng loạigiống nhau

a Bơm dầu: dùng ñể biến cơ năng thành năng lượng của dầu (dòng chấtlỏng) Bơm có lưu lượng cố ñịnh, gọi tắt là bơm cố ñịnh

Bơm có lưu lượng có thể ñiều chỉnh, gọi tắt là bơm ñiều chỉnh

Những thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất

b ðộng cơ dầu: là thiết bị dùng ñể biến năng lượng của dòng chất lỏng thànhñộng năng quay trên trục ñộng cơ

Những thông số cơ bản của ñộng cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay và hiệu

áp suất ở ñường vào và ñường ra

Trang 4

2.1.2 Các ñại lượng ñặc trưng

a Thể tích dầu tải ñi trong 1 vòng (hành trình)

V = A.h 1 hành trình (2.1)

b Áp suất làm việc

c Hiệu suất

Hiệu suất thể tích hv

Hiệu suất cơ và thủy lực hhm

Nhưvậy hiệu suất toàn phần:

ht= hv hhm

2.1.3 Công thức tính toán bơm và ñộng cơ dầu

a, Lưu lượng Qv, số vòng quay n và thể tích dầu trong một vòng quay V

Ta có: Qv= n.V

ðối với bơm:

ðối với ñộng cơ dầu:

=

v v

nV Q

b Áp suất, mômen xoắn, thể tích dầu trong một vòng quay V

Theo ñịnh luật Pascal: (2.12)

c Công suất: N= p.Qv (2.15)

V

M

p = x

10 V

M

p xηhm

=

10 hm

xV

M p

η

=

2

10 6

−

=

t v

pQ N

η

210 6

Trang 5

2.1.4 Các loại bơm

a Bơm với lưu lượng cố ñịnh

+ Bơm bánh răng ăn khớp ngoài;

+ Bơm bánh răng ăn khớp trong;

+ Bơm pittông hướng trục;

+ Bơm trục vít;

+ Bơm pittông dãy;

+ Bơm cánh gạt kép;

+ Bơm rôto

b Bơm với lưu lượng thay ñổi

+ Bơm pittông hướng tâm;

+ Bơm pittông hướng trục (truyền bằng ñĩa nghiêng);

+ Bơm pittông hướng trục (truyền bằng khớp cầu);

+ Bơm cánh gạt ñơn

Bơm bánh răng: (Hình 2.7 Bơm bánh răng)

Bơm trục vít: (Hình 2.9 Bơm trục vít)

Trang 6

Bơm cánh gạt ñơn

Bơm cánh gạt kép

Bơm pittông: hướng trục và hướng kính

2.2 Bể dầu (Hình 2.20 Bể dầu)

2.2.1 Nhiệm vụ

Bể dầu có nhiệm vụ chính sau:

Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận dầu chảy về)

Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm dầu làm việc

Lắng ñọng các chất cạn bã trong quá trình làm việc

Trang 7

thống Do ñó trong các hệ thống dầu ép ñều dùng bộ lọc dầu ñể ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu, phần tử dầu ép

Bộ lọc dầu thường ñặt ở ống hút của bơm Trường hợp dầu cần sạch hơn, ñặt thêm một bộ nữa ở cửa ra của bơm và một bộ ở ống xả của hệ thống dầu ép

Kí hiệu

2.3.2 Phân loại theo kích thước lọc

Tùy thuộc vào kích thước chất bẩn có thể lọc ñược, bộ lọc dầu có thể

phân thành các loại sau:

a Bộ lọc thô:có thể lọc những chất bẩn ñến 0,1mm

b Bộ lọc trung bình:có thể lọc những chất bẩn ñến 0,01mm

c Bộ lọc tinh: có thể lọc những chất bẩn ñến 0,005mm

d Bộ lọc ñặc biệt tinh:có thể lọc những chất bẩn ñến 0,001mm

2.3.3 Phân loại theo kết cấu

Trang 8

2.4 ðo áp suất và lưu lượng

2.4.1 ðo áp suất ( Hình 2.25)

a ðo áp suất bằng áp kế lò xo

Nguyên lý ño áp suất bằng áp kế lò

xo: dưới tác dụng của áp lực, lò xo bị

biến dạng, qua cơ cấu thanh truyền

hay ñòn bẩy và bánh răng, ñộ biến

dạng của lò xo sẽ chuyển ñổi thành

giá trị ñược ghi trên mặt hiện số

b Nguyên lý hoạt ñộng của áp kế lò

xo tấm (Hình 2.26)

Dưới tác dụng của áp suất, lò xo tấm

(1) bị biến dạng, qua trục ñòn bẩy (2),

chi tiết hình ñáy quạt (3), chi tiết

thanh răng (4), kim chỉ (5), giá trị áp

suất ñược thể hiện trên mặt số

2.4.2 ðo lưu lượng

a ðo lưu lượng bằng bánh hình ôvan và

bánh răng (Hình 2.27)

b ðo lưu lựơng bằng tuabin và cánh gạt (Hình 2.28)

Chất lỏng chảy qua ống làm quay cánh tuabin và cánh gạt, ñộ lớn lưu lượng ñược xác ñịnh bằng tốc ñộ quay của cánh tuabin và cánh gạt

Trang 9

c ðo lưu lượng theo nguyên lý ñộ chênh áp (Hình 2.29)

Hai áp kế ñược ñặt ở hai ñầu của màng ngăn, ñộ lớn lưu lượng ñược xác ñịnh bằng ñộ chênh lệch áp suất (tổn thất áp suất) trên hai áp kế p1và p2

d ðo lưu lượng bằng lực căng lò xo (Hình 2.30)

Chất lỏng chảy qua ống tác ñộng vào ñầu ño, trên ñầu ño có gắn lò xo, lưu chất chảy qua lưu lượng kế ít hay nhiều sẽ ñược xác ñịnh qua kim chỉ

2.5 Bình trích dầu

2.5.1 Nhiệm vụ

Bình trích chứa là cơ cấu dùng trong các hệ truyền dẫn thủy lực ñể ñiều hòa năng lượng thông qua áp suất và lưu lượng của chất lỏng làm việc Bình trích chứa làm việc theo hai quá trình: tích năng lượng vào và cấp năng lượng ra

Trang 10

- Quá trình nạp (Hình 2.33)

- - Quá trình xả (Hình 2.34)

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC

Trang 11

3.1.2 Sơ ñồ cấu trúc hệ thống ñiều bằng thủy lực

Cấu trúc hệ thống ñiều khiển bằng thủy lực ñược thể hiện ở sơ ñồ hình 3.2

Hình 3.2 Cấu trúc thống ñiều khiển bằng thủy lực

3.2 Van áp suất

3.2.1 Nhiệm vụ:

Van áp suất dùng ñể ñiều chỉnh áp suất, tức là cố ñịnh hoặc tăng, giảm trị

số áp trong hệ thống ñiều khiển bằng thủy lực

3.2.2 Phân loại: Van áp suất gồm có các loại sau:

+ Van tràn và van an toàn

+ Van giảm áp

+ Van cản

+ Van ñóng, mở cho bình trích chứa thủy lực

3.2.2.1 Van tràn và an toàn

Van tràn và van an toàn dùng ñể hạn chế việc

tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực

vượt quá trị số quy ñịnh Van tràn làm việc

thường xuyên, còn van an toàn làm việc khi

quá tải Có các loại van sau:

Ký hiệu của van tràn và van an toàn

Trang 12

(a)

(b)

(c)

+ Kiểu van bi (trụ, cầu) (hình 3.3)

+ Kiểu con trượt (pittông) (hình 3.4)

+ Van ñiều chỉnh hai cấp áp suất

(phối hợp) (hình 3.5)

3.2.2.2 Van giảm áp

Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp

năng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp ñặt trước

cơ cấu chấp hành nhằm ñể giảm áp suất ñến một giá trị cần thiết

Hình 3.6 Kết cấu và ký hiệu Hình 3.7 Mạch thuỷ lực có lắp van giảm áp

Trang 13

3.2.2.3 Van cản

Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống Þhệ thống luôn

có dầu ñể bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va ñập

Hình 3.8 Mạch thủy lực có lắp van cản

Ký hiệu

3.3 Van ñảo chiều

3.3.1 Nhiệm vụ

Van ñảo chiều dùng ñóng, mở các ống dẫn ñể khởi ñộng các cơ cấu biến ñổi năng lượng, dùng ñể ñảo chiều các chuyển ñộng của cơ cấu chấp hành.3.3.2 Các khái niệm

+ Số cửa: là số lỗ ñể dẫn dầu vào hay ra Số cửa của van ñảo chiều

thường 2, 3 và 4, 5 Trong những trường hợp ñặc biệt số cửa có thểnhiều hơn

+ Số vị trí: là số ñịnh vị con trượt của van Thông thường van ñảo chiều

có 2 hoặc 3 vị trí Trong những trường hợp ñặc biệt số vị trí có thể

nhiều hơn

Trang 14

3.3.3 Nguyên lý làm việc

a Van ñảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2)

Hình 3.9 Van ñảo chiều 2/2

P - Cửa nối bơm;

T - Cửa nối ống xả về thùng dầu;

A, B - Cửa nối với cơ cấu ñiều khiển hay cơ cấu chấp hành;

L - Cửa nối ống dầu thừa về thùng

b Van ñảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2)

Trang 15

c Van ñảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2)

3.3.4 Các loại tín hiệu tác ñộng

Loại tín hiệu tác ñộng lên van ñảo chiều ñược biểu diễn hai phía, bên trái

và bên phải của ký hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác ñộng làm van ñảo chiều thay ñổi vị trí làm việc của nòng van ñảo chiều

Hình 3.12 Các ký hiệu cho tín

hiệu tác ñộng bằng tay

Hình 3.13 Các ký hiệu cho tín hiệu tác ñộng bằng cơ

Trang 16

3.3.5 Các loại mép ñiều khiển của van ñảo chiều

Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, các mép của nó sẽ ñóng hoặc

mở các cửa trên thân van nối với kênh dẫn dầu

Van ñảo chiều có mép ñiều khiển dương (hình 3.14a), ñược sử dụng trong những kết cấu ñảm bảo sự rò dầu rất nhỏ, khi nòng van ở vị trí trung gian hoặc ở vị trí làm việc nào ñó, ñồng thời ñộ cứng vững của kết cấu (ñộ nhạy ñối với phụ tải) cao

Van ñảo chiều có mép ñiều khiển âm (hình 3.14b), ñối với loại van này cómất mát chất lỏng chảy qua khe thông về thùng chứa, khi nòng van ở vị trítrung gian Loại van này ñược sử dụng khi không có yêu cầu cao về sự rò chất lỏng, cũng nhưñộ cứng vững của hệ

Van ñảo chiều có mép ñiều khiển bằng không (hình 3.14c), ñược sử dụng phần lớn trong các hệ thống ñiều khiển thủy lực có ñộ chính xác cao (ví dụ nhưở van thủy lực tuyến tính hay cơ cấu servo Công nghệ chế tạo loại van này tương ñối khó khăn

Hình 3.14 Các loại mép

ñiều khiển của van ñảo

chiều

a Mép ñiều khiển dương;

b Mép ñiều khiển âm;

c Mép ñiều khiển bằng

không.

3.4 Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng ñể ñiều chỉnh lưu lượng dầu, và do ñó ñiều chỉnh vận tốc của

cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực

Van tiết lưu có thể ñặt ở ñường dầu vào hoặc ñường ra của cơ cấu chấp hành.Van tiết lưu có hai loại:

Van tiết lưu cố ñịnh Van tiết lưu thay ñổi ñược lưu lượng

Trang 17

3.5 Bộ ổn tốc

Bộ ổn tốc là cấu ñảm bảo hiệu áp không ñổi khi giảm áp (Dp = const), và do

ñó ñảm bảo một lưu lượng không ñổi chảy qua van, tức là làm cho vận tốc của cơ cấu chấp hành có giá trị gần nhưkhông ñổi

Nhưvậy ñể ổn ñịnh vận tốc ta sử dụng bộ ổn tốc

Bộ ổn tốc là một van ghép gồm có: một van giảm áp và một van tiết lưu Bộ

ổn tốc có thể lắp trên ñường vào hoặc ñường ra của cơ cấu chấp hành như

ở van tiết lưu, nhưng phổ biến nhất là lắp ở ñường ra của cơ cấu chấp hành

Hình 3.29 Ký hiệu và kết cấu bộ ổn tốc

van bi, van kiểu con trượt

Hình 3.31 Ký hiệu và kết cấu van bi

một chiều

Trang 18

Ứng dụng của van một chiều:

ðặt ở ñường ra của bơm (ñể chặn dầu chảy về bể)

ðặt ở cửa hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm)

Khi sử dụng hai bơm dầu dùng chung cho một hệ thống

Hình 3.32 Sơ ñồ mạch thủy

lực sử dụng hai bơm dầu

nhằm giảm tiêu hao công

suất

3.6.2 Van một chiều ñiều khiển ñược hướng chặn

a Nguyên lý hoạt ñộng

Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều Nhưng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu ñiều khiển bên ngoàitác ñộng vào cửa X

Hình 3.33 Van một chiều ñiều khiển ñược hướng chặn

a Chiều A qua B, tác dụng nhưvan một chiều;

b Chiều B qua A có dòng chảy, khi có tác dụng tín ngoài X;

c Ký hiệu.

Trang 19

có tín hiệu ñiều khiển A1 hoặc khi dầu chảy từ B1 về A1 thì phải có tín hiệu ñiều khiển A2.

Hình 3.34 Van tác ñộng khóa lẩn

a Dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2

(như van một chiều);

b Từ B2về A2thì phải có tín hiệu ñiều khiển A1;

c Ký hiệu.

3.7 ðiều khiển, ñiều chỉnh áp suất và lưu lượng

3.7.1 Các phương pháp ñiều chỉnh vận tốc

ðiều chỉnh vận tốc chuyển ñộng thẳng hoặc chuyển ñộng vòng của cơ cấu chấp hành trong hệ thống dầu ép, bằng cách thay ñổi lưu lượng dầu chảy qua nó với hai phương pháp sau ñây:

Thay ñổi sức cản trên ñường ống dẫn dầu bằng van tiết lưu Phương pháp ñiều chỉnh này gọi là ñiều chỉnh bằng tiết lưu, ñã trình bày trong mục van tiết lưu.

Thay ñổi chế ñộ làm việc của bơm dầu, tức là ñiều chỉnh lưu lượng của bơm cung cấp cho hệ thống dầu ép Phương pháp ñiều chỉnh này gọi là ñiều chỉnh bằng thể tích.

Lựa chọn phương pháp ñiều chỉnh vận tốc phụ thuộc và nhiều yếu tố như công suất truyền ñộng, áp suất cần thiết, ñặc ñiểm thay ñổi tải trọng, kiểu và ñặc tính của bơm dầu

ðể giảm nhiệt ñộ của dầu, ñồng thời tăng hiệu suất của hệ thống dầu ép, người ta

sử dụng phương pháp ñiều chỉnh vận tốc bằng thể tích Loại ñiều chỉnh này ñược thực hiện bằng cách chỉ ñưa vào hệ thống dầu ép lưu lượng dầu cần thiết ñể ñảm bảo một vận tốc nhất ñịnh Do ñó, nếu như không tính ñến tổn thất thể tích và cơ khí thì toàn bộ năng lượng do bơm dầu tạo nên ñều biến thành công có ích.

Trang 20

3.7.2 Một số phương pháp ñiều chỉnh

a, ðiều chỉnh áp suất bằng cơ khí

b, ðiều chỉnh áp suất bằng van tràn

c, ðiều chỉnh bằng tiết lưu ñầu vào

d, ðiều chỉnh bằng tiết lưu ñầu ra

e, ðiều chỉnh lưu lượng kết hợp với ñiều chỉnh áp suất của bơm

3.7 Xi lanh truyền ñộng

3.7.1 Nhiệm vụ

Xilanh thủy lực là cơ cấu chấp hành dùng ñể biến ñổi thế năng của dầu

thành cơ năng, thực hiện chuyển ñộng thẳng

Trang 21

Phân loại theo cấu tạo

Xilanh ñơn

Xilanh kép

Xilanh ñơn lùi về nhờ ngoại lực Xilanh ñơn lùi về nhờ lò xo

Lùi về bằng thuỷ lực Lùi về bằng thuỷ lực có giảm chấn

Xilanh vi sai

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	21,59 MB