Giáo trình Truyền động tự động khí nén: Phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Động học và nhiệt động học các hệ truyền động khí nén; Các hệ truyền động khí nén; Hệ truyền động khí nén thực hiện chuyển động quay;... Mời các bạn cùng tham khảo.
7 TS PHẠM VĂN KHẢO NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUÂT PTS PHẠM VĂN KHẢO TRUYỀN ĐỘNG ■ Tự ĐỘNG KHÍ NÉN (Tái có sửa chữa bổ sung) TÁM T.ỉ — - ——•-—•- - —"T THƯ VIÊN NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI 'vV>HU2ƠỊ ũrto ée bo nhâ iaĩ) ị UH T LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình 'Truyền động - tự động khí nén" tài liệu mang tính hệ thống chuyên ngành nhằm giúp cho đối tượng học tập, tìm hiểu, nghiên cứu truyền động tự động khí nén tiếp cận cách thuận lợi lĩnh vực chuyên môn Nội dung giáo trình bao gồm vấn đề cùa lý thuyết truyền động - tự động khí nén, có phân động học nhiệtđộng lực học cùa thiết bị hệ truyền động - lự động khí nén, phương pháp tính tốn, khảo sát, thiết kế, thử nghiệm cá phần tổng hợp hệ điêu khiên chúng Đây tài liệu chuyên ngành biên soạn lần đ'ãu, tác già bày tỏ cdm ơn chân thành tói TS Ngơ Sỹ Lộc - người đọc góp ý cho bàn thảo, tập thể Bộ mơn "Máy tự động thủy khí" Trường Đại học Bách khoa Hà Nội góp nhieu ý kiến quỷ báu đề tài liệu hoàn chỉnh sớm mắt bạn đọc Sách sử dụng làm tài liệu học tập thức cho sinh viên chuyên ngành "Máy tự động thủy khí", "Kỹ thuật hàng khơng" cho số ngành khác chế tạo máy, máy lượng, máy tự động, robot công nghiệp, khí hóa - tự động hóa địng q trình sàn xuất cơng nghệ Mặc dừ cịn có khiếm khuyết, song tác giả tin tài liệu giúp ích dược cho bạn đọc đối tượng học tập, nghiên cứu, làm việc lĩnh vực truyền dộng - tự động khí nén Tác già NHẬP MĨN Các hệ thống truyền động khí nén sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghệ kỹ thuật, chế tạo máy, luyện kim, giao thông hàng hải hàng không, ngành in, ngành công nghiệp công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, ho'a chất, dầu khí Chúng thường sử dụng dạng hệ truyền động kẹp giữ vận chuyển, nâng hạ, phanh hãm, cấu tự động hóa, thiết bị đo kiểm Các hệ khí nén sử dụng rộng rãi co' nhiều ưu điểm mà loại hệ truyền động khác không co' được, đo' là: - Kết cấu, sử dụng điều khiển đơn giản; - Độ tin cậy làm việc cao; - Độ an tồn làm việc cao mơi trường dễ cháy, nổ; co' thể làm việc môi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hóa chất ) Về tác động nhanh khả làm việc với điều khiển từ xa, hệ truyền động khí nén khơng thê’ so sánh với hệ thống điện - điện tử, co' thể xếp chúng hệ truyền động thủy lực hoàn toàn co' thể thỏa mãn với đa số yêu cầu nhiều hệ thống tự động ho'a cơng nghiệp Tuy nhiên, hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn so với hệ thủy lực có cơng suất Tính nén khơng khí lớn, ảnh hưởng đáng kê’ tới chất lượng làm việc hệ thông Do vận tốc cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy va đập cuối hành trình Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước dừng vị trí trung gian khó thực xác hệ thống thủy lực Khi làm việc, hệ thống khí nén gây ồn so với hệ thống thủy lực Mặc dù cịn có hạn chế hệ truyền động khí nén sử dụng thành công tất trường hợp mà nhược điểm định, hạn chế phân toàn Khuynh hướng sử dụng kết hợp hệ thống điện - điện tử khí nén cho phép mở rộng cách đáng kể lĩnh vực ứng dụng hệ truyền động khí nén đặc biệt lĩnh vực tự động hóa trỉnh sản xuất cơng nghệ khác Chính việc ứng dụng thành công rộng rãi hệ thống khí nén ngành kỹ thuật thúc đẩy việc xây dựng phát triển mạnh mẽ phương pháp khảo sát nghiên cứu tính tốn thiết kê' hệ thống Lý thuyết "Trtiyỉn động - tự động khí nén" đặt mục tiêu xây dựng phương pháp luận việc khảo sát nghiên cứu trinh động học nhiệt - động lực học hệ truyền động - tự động khí nén; xây dựng phương pháp tính tốn, thiết kế, phương pháp thực nghiệm khảo sát nghiên cứu ứng dụng chúng thực tế Trên sở đó, lý thuyết "TRUYỀN ĐỘNG - Tự ĐỘNG KHÍ NÉN" thường phân định thành phần sau: Tổng hợp cấu trúc hệ truyền động khí nén; Động học động lực học hệ thống; Phân tích cấu trúc tổng hợp hệ thống điều khiển Thông thường, việc tính tốn thiết kế hệ truyền động khí nén bát đầu việc chọn lựa sơ đồ nhằm đáp ứng yêu cầu làm việc đặt ra, ví dụ điêu kiện làm việc, trình tự làm việc cấu chấp hành Đây tốn tổng hợp cấu trúc hệ truyền động khí nén nhằm chọn lựa sơ đồ hợp lý, tối ưu Trên sở sơ đồ lựa chọn, tiến hành xác định thơng sơ hình học kích thước cấu khí nén đường kính, chiêu dài ơng dẫn, kích thước pittơng, xylanh cấu chấp hành Sau đo', tiến hành tính tốn thơng số động học, động lực học tác động nhanh củá hệ truyền động khí nén Đo' nội dung tốn tổng hợp phân tích động học động lực học hệ thống Sau co' kết khảo sát động học động lực học hệ thống, tiến hành phân tích cấu trúc hệ truyền động nhằm mục đích đơn giản ho'a kết cấu giải toán tổng hợp hệ điều khiển hệ truyền động khí nén Những điểm vừa nêu nằm nội dung thứ ba lý thuyết "Truyền động - lự động khí nén" mà ta liệt kê Nét đặc trưng lý thuyết "Truyền động - tự động khí nén" việc ứng dụng định luật nhiệt động học kỹ thuật cùa khối khí thay đổi vào việc phân tích động học động lực học hệ thống khí nén, q trình làm việc chúng diễn đêu gắn liền với q trình "nạp" "xả" khí Tuy nhiên, khơng phải lúc củng có thê’ sử dụng chúng đê’ mơ tả đày đủ trình diễn hệ truyền động khí nén, lẽ, đại lượng nhiệt động học động lực học biến thiên theo thời gian Ngoài ra, nghiên cứu làm việc hệ truyền động khí nén chuyển động (pittơng, trượt điều khiển van ) cịn đòi hỏi phải sử dụng kiến thức lý thuyết học chất rắn Việc tổng hợp hệ thống truyền động nén hệ thống điêu khiển chúng tiến hành dựa sở ứng dụng lý thuyết đại sô logic Các tiêu đặt đê’ nhằm tối giản hóa tối ưu hóa sơ đồ hệ thống truyền động điều khiển xác định cho trường hợp cụ thể Lý thuyết "Truyên động - tự động nén" xây dựng phát triển chưa lâu Bởi thế, no' cịn đưực tiếp tục bổ sung hồn thiện nhờ kết thu việc nghiên cứu, ứng dụng thiết bị khí nén nói chung hệ truyền động khỉ nén nói riêng Cũng lý mà việc nghiên cứu, khảo sát làm việc hệ truyền động khí nén, phương pháp thực nghiệm khơng đóng vai trò kiểm nghiệm mà phân quan trọng bổ sung góp phần hồn thiện lý thuyết "Truyền độnfi ' tự động khí nén" Điêu đặc biệt thể rõ xuất sơ đồ kỹ thuật công nghệ mới, lĩnh vực sử dụng cùa hệ truyền động tự động khí nén cơng nghiệp diễn khơng ngừng ChưưiìỊỊ ỉ Động học nhiệt động học hệ truyền động nén 1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA KHƠNG KHÍ NÉN NHƯ LÀ MỘT CHẤT LỎNG CÔNG TÁC Trong hệ thống khí nén, chăt lỏng cơng tác khơng khí nén áp suất định Khi tính tốn hệ thơng khí nén kỹ thuật, đại lượng thường quan tâm áp suất p, khối lượng riêng p (hoặc trọng lượng riêng 7.1, nhiệt độ T độ nhớt (,H v) Khái niệm hệ số nhớt động học không khí tương tự khái niệm hệ số nhớt động học cùa chẫt lỏng no'i chung Hệ số nhớt động học cùa khơng khí phụ thuộc vào nhiệt độ tăng khơng nhiêu nhiệt độ tâng, ví dụ: I’ -16°c = 1,67 10'7 N.s/m2 +20°C = 1,8 10 N.s/m2 V + 65°c = 2,06 10'7 N.s/m2 Trong đa sô tính tốn, khơng khí thường coi chất khí lý tưởng (một chất khí lý tưởng chất khơng có lực liên kết phân tử với phân tử khí coi dễ dàng đạt vận tốc quay lớn ví dụ, thiết bị dụng cụ khí nén cầm tay'thường làm việc với số vòng quay 2000 đến 2800 vg/ph, cá biệt tới 4000 vg/ph Hình 3-1 sơ đồ loại động khí nén thê’ tích: a Roto cánh gạt; b Bánh răng; c Nhiều xylanh Tuy nhiên, làm việc số vịng quay lớn nên lượng khí tiêu thụ đáng kể, loại tổn thất lớn hiệu suất động khí nén nói chung thường thấp (chỉ từ 0,25 đến 0,65) Cũng lý vậy, động khí nén chế tạo sử dụng thực tế thường dải công suất thấp Cũng hệ truyền động khí nén tịnh tiến, kiểu xylanh 107 pittơng, động nén có độ tin cậy làm việc cao dễ sử dụng Tuy nhiên, cân lưu ý điểm yêu cầu khí sử dụng phải lọc sạch, tách nước, tách ẩm tốt việc bảo dưỡng, bảo trì kỹ thuật chúng phải tiến hành đặn chu đáo để tránh bị rỉ đọng nước bề mặt làm việc phần động Một nhược điểm kho' khác phục động khí nén làm việc gây tiếng ồn lớn Số vòng quay cao, tiếng ồn rõ, đặc trưng tiếng rít dịng khí với tốc độ cao qua kênh dẫn hẹp xả ngồi khí Chinh điêu nguyên nhân chủ yếu hạn chế lỉnh vực sử dụng động khí nén no'i riêng hệ truyền động khí nén với chuyển động quay nối chung Những động khí nén ta vừa đề cập thuộc nho'm động khí nén thê’ tích Trong khn khơ’ co' giới hạn, ta chi quan tâm sâu nghiên cứu, khảo sát động học động lực học hệ truyền động khí nén thực chuyển động quay dùng động khí nén thể tích Tuy nhiên, ta củng cần lưu ý ràng, thực tế sử dụng nhiều động khí nén làm việc theo nguyên lý thủy động, mà dạng thông dụng loại quạt động tuabin khí nén Các động tuabin khí nén thường co' vận tốc làm việc lớn (số vịng quay từ vài chục nghìn đến hàng trăm nghìn vịng/phút), sử dụng nhiều hàng khơng lĩnh vực quân sự, với công suất từ nhỏ (cỡ vài ốt) tới lớn (cỡ megaốt) Ngồi ra, cần phải kể đến nhóm động khí - đốt hay gặp thực tế Đối với động nho'm này, chất lỏng cơng tác sử dụng khơng phải khí nén đơn mà khí đốt có nhiệt độ áp suất làm việc cao Việc 108 khảo sát nghiên cứu động học động lực học làm việc loại động khí nằm ngồi khn khổ giáo trình ta không đ'ê cập tới chúng 3.2 BIỂL ĐỒ CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG co KHÍ NÉN Xét làm việc động khí nén gồm cấu chấp hành kiểu xylanh - pittơng hình 3-2 Sau đo'ng nguồn khởi động, mở van phân phối có thời gian tác động nhanh t’, so'ng khơng từ van phân phối qua cửa mở biến đổi theo kênh tương ứng tới khoang làm việc động khí nén sau khoảng thời gian t” Áp suất khoang làm việc bát đàu tăng lên đạt giá trị pcd sau khoảng thời gian tị (thời gian tăng áp) pittông bắt đầu chuyển động Khi pittông bắt đầu chuyển động, áp suất khoang giảm chút cửa vào bị đóng hồn tồn diễn q trình dãn nở khối khí suốt thời gian t3 pittơng đạt điểm cuối hành trình, kết thúc hành trinh thuận Trong hành trình nghịch, khoang xylanh nối với khí quyển, áp suất khoang bất đầu giảm pittông bất đầu chuyển động theo hướng ngược lại Khí bị đẩy qua kênh xả suốt khoảng thời gian t5 tiếp tục bị nén ngược lại suốt thời gian t6 Thời gian thực hành trình thuận hành trình nghịch tính sau: - thời gian hành trình thuận: Tt = tj + t? + t3 - thời gian hành trình nghịch: Tn = tị + t5 + t6 Bởi động nén làm việc theo chu trình kín liên tục nên kết thúc hành trình nghịch phải trùng với khởi đầu hành trình thuận Chính lẽ đo' mà thời gian hành trình thuận Tị 109 trên, động khí nén đa làm việc ổn định, ta có thê’ bỏ qua thời gian t’ t” Các giá trị t’ t” tính đến ta khảo sát trình khởi động chạy đà ban đầu động khí nén mà thơi Hình 3-2 Biểu đồ chu trinh làm việc cùa động khi' nén a Đồ thi X(t); b Đồ thị p(t); c Đồ thị pha p(x); d Sơ đồ làm việc cùa dộng khí nén Trên ta xét giai đoạn làm việc chu trình làm việc động khí nén, bao gồm: nạp khí tăng áp; 110 dãn nở khí (chuyển động); xả khí, giảm áp nén ngược Sự luân phiên giai đoạn làm việc động khí nén đảm bảo van phân phối với kết cấu có trượt quay với trục khuỷu tay biên Trên trượt có cửa mở quay áo van, khí qua cửa mở đố tới khoang làm việc xylanh (hoặc nhiều xylanh) chấp hành Qua cửa mở trượt, ngăn làm việc động khí nén nối với nguồn khí áp suất cao nối với khí Sơ đồ van phân phối loại vừa nêu có cửa mở A, B, c tương ứng với giai đoạn: nạp tăng áp, dãn nở khối khí, xả dồn khí qua cửa mở áo van D trình bày hình 3-3 Trong đó, a biểu thị vị trí cửa mở chuyển động quay Áình 3-3 Sơ đ'ơ van phân phối động khí nén: a Biểu d'ơ góc; b Biểu đ'ơ tuyến tính; c Đồ thi tiết diện cừa; động khí nén: d Đồ thị tiết diện cừa 111 tương đối vỏ van trượt.; b biểu chu trình làm việc dạng hàm sô go'c quay />; c d đồ thị tiết diện thông cửa mở theo gốc quayT/Ps \ k - \ + ôãằ Trong cỏc tính tốn gàn đúng, sử dụng biểu đồ thị để tính giá trị trên, ta có: 1T = pỊt.V2 (3-3) N-J- = lT.n.z (3-4) Nhi = NT-’7hi-’7ck (3-5) Cơng suất thị: Cơng suất hữu ích: Lưu lượng khí tiêu thụ: G = n.z.V2[(£1 + £o)./j - («3 + £o).y2l đây: n - số vịng quay động khí nén; z - số xylanh chấp hành; >7ck - hiệu suất khí ìjhi - hệ số điều động biểu đ'ô thị: Ihi ’/hi = — 1T 114 (3-6) - độ nạp : - độ nén: - thể tích khơng gian có hại tương đối: eo = —“ Trên hình 3-5 cho đồ thị quan hệ M(n), N(n) G(n) thu sở thực nghiệm Hình 3-5 Các đ'ơ thị M(n), N(n) G(n) động khí nén 3.3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT - ĐỘNG Lực HỌC CỦA ĐỘNG CO KHÍ NÉN Như ta phân tích, động khí nén loại động chấp hành tác động phía Bởi vậy, sở hệ phương trình vi 115 phân tổng quát động lực học cấu chấp hành khí nén bỏ qua trao đổi nhiệt với mơi trường ngồi, ta co' thể viết phương trình áp suất, nhiệt độ động khí nén dạng sau: dp k.fhi.K./R.Tn p rPí>/p"l 7T = 77 - p"^ 77 ■ p-wa^ 777 + dt F.x l ,pn L p/pn J (3-7) dT T dx T dp _ _ T ,p , 77 = — -7- +— 7— - fhi.K.T.VR.T Ị pn.-z
), Gia tốc: d2x —ý = ra> siny>.cosy>, (3-17) Momen quay tạo áp suất khí nén: r F.d2x/dt2 M = (p - pa) r L OJ 118 F.W = (p - pa)— UJ Do đó: dV dV dx — = F — — dt dx dt (3-17a) Thể tích khoang làm việc xylanh: V — F (x + x0) = F.r (1 + xo - cosy>) F.W dV dự> o Thay biểu thức cuối vào phương trình mơmen, ta có: dV M = '/cd(p - Pa> - ’ (3-18) Phương trình chuyển động động khí nén viết dạng sau: dơj J — = M - Mr, dt (3-19) c hay: do’ dV w’J-77 = 7ck(p - PaH~ - Mc dp dp (3-20) đây: J - momen qn tính động khí nén có trị số không đổi; Mc - momen cản; >7ck - hiệu suất khí cấu truyền Nếu bỏ qua rị rỉ khí trao đổi nhiệt với mơi trường ngồi, ta viết phương trình biến đổi áp suất nhiệt độ khoang làm việc động khí nén theo go'c quay p dạng sau: dp dp k.f.KVR.Tn.pn./> (— k-p sinp 11 11 ' \ 7") _ x^n/ F.o.rd + xo - cosy?) (3-21) (1 + xo - cos/>) 119 Như vậy, để khảo sát động học động lực học động khí nén ta phải giải đồng thời phương trình áp suất, nhiệt độ phương trình chuyển động Phương trình chuyển động động khí nén viết tọa độ thời gian co' dạng sau: d~ip F dx J dt“ =?/ck 7ck(p r - Pa)— w - • -7dt - Mc c (3-23) Trên hình 3- đồ thị động học động lực học động khí nén có xylanh chấp hành Đối với trường hợp động khí nén nhiều xylanh chấp hành, ta có: r 2jr Xị = rJ + xo - cos
I, (3-24) đây: Xj - tọa độ dịch chuyển pittông xylanh thứ "i"; z - số xylanh chấp hành Khi đo', giá trị mơmen quay tương ứng là: Hình 3-7 ĐỒ thị động học động lực học cùa động nén có xylanh chấp hành 120 dVị M> = WPi -pa) — dy> (3-25) Tổng mômen quay động khí nén: z ' Z dVị M = ỀMị = í?ck Ị (Pi - pa) -y-i , i=i i=i dy? (3-26) Trong trường hợp mơmen qn tính J # const, sử dụng phương trình Lagrange bậc 2, ta co' thể viết phương trình chuyển động động khí nén dạng sau: dJ _ dơ/ J dt d