Giáo trình hệ thống truyền động thủy lực và khí nén

TRẦN NGỌC HẢI ( C h ủ b iê n ) TRẦN XN TÙY GIÄ© TRÌNH HẸ THONG TRUYEN ĐỘNG THÚY LUC VÀ KHÍ NÉN TRẦN NGỌC HẢI (chủ biên) TRẦN XUÂN TÙY GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY Lự c VÀ KHÍ NEN (Tái bản) frÃũãiÃ, tí AI HỌC: QUY NHơbT THƯ VIÊN NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG LỜI NÓI ĐÀU "Hệ thống truyền động thủy lực khí nén" giáo trình phục vụ cho đơi tượng học tập, nghiên cứu ngành Chế tạo máy, ngành Ca điện tử ngành Tự động hoá trường đại học, cao đẳng kỹ thuật ca sờ sàn xuất, nghiên cứu .1 - pháp xây dựng biếu đỗ trạng thái, sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống truyền động khỉ nén, điện khí nén phương pháp thiết kế hệ thống điều khiến Nội dung trình bày điều khiển logic hệ thống tỉn hiệu khí nén điện khỉ nén suy luận để ứng dụng cho điều khiển lơgic tín hiệu thuỷ lực điện thuỳ lực Đây giảo trình chuyên ngành biên soạn sở tham khảo nhiêu tài liệu, giáo trình nước nước ngồi, nội dung trình bày phù hợp đê có thê dùng làm tài liệu học tập, nghiên cứu, thiêt kê, bào dưỡng, sửa chừa khai thác thiết bị thuộc lĩnh vực thủy lực khí nén Những vân đê lý thuyêt ví dụ trình bày giúp cho người đọc có thê tiếp cận nhanh với toán thực tế, giai đoạn nay, kỹ thuật phát triển ứng dụng mạnh mẽ Chúng mong nhận ỷ kiến đóng góp bạn đọc đê lân tái ban tới, giáo trình hồn thiện Các tác giả PHẦN TRUYỂN ĐỘNG THỦY Lực Chương C SỞ TRUYỀN ĐỘNG THỦY Lực 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIẺN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY L ự c Ị Từ thời xưa, người biết sừ dụng chênh lệch áp suất để kéo cối xay lưong thực đưa nước vào đồng ruộng, vào kỷ thứ hai trước Công nguyên người Hy Lạp sáng chế piston gỗ, để bcrm nước lên cao Tới kỷ XV nhà bác học người Ý D.Franxi đưa khái niệm bơm ly tâm tới kỷ XVI bơm ly tâm chế tạo Pháp Vào kỷ XVIII hai viện sỹ người Nga Euler Zucopsky nghiên cứu phát minh lý thuyết học chất lỏng máy thủy lực, lý thuyết làm sờ cho nhiều phát minh khác loại máy thủy lực hệ truyền động thủy lực sau Vào năm 1920, truyền động thủy lực ứng dụng máy công cụ, dùng để thực chuyển động bàn máy thực chuyển động chạy dao dọc ngang máy phay, máy mài, v.v với công suất nhỏ Từ đến nay, truyền động băng thủy lực sử dụng rộng rãi hầu hết ngành kỹ thuật ngành khí, nơng nghiệp, khai thác mỏ, hố chất, giao thơng vận tải, xây dựng, hàng khơng vũ trụ, v.v đă phát triển mạnh nước công nghiệp Đặc biệt, từ năm 1980 trờ lại nhờ pháp triển mạnh kỹ thuật điện tử công nghệ thông tin mà kỹ thuật điều khiển hệ thống thủy lực phát triển có mức độ tự động hỏa cao Kỹ thuật ứng dụng để truyền động cho cấu có cơng suất lớn, nhờ truyền động vơ cấp xác mà ứng dụng để điều khiển vơ cấp tốc độ, tải trọng vị trí cấu chấp hành yêu cầu độ xác cao Ngoài ra, sử dụng để phối hợp hoạt động cấu công tác thiết bị dây chuyền thiết bị tự động điều khiển logic Ví dụ: hệ thủy lực ứng dụng để truyền động điều khiển thiết bị máy ép, rôbot công nghiệp, máy CNC, dây chuyền sản xuất tự động thiết bị tự động công nghiệp khác Ở Việt Nam, truyền động thủy lực áp dụng rộng rãi nhiều loại thiết bị, máy tự động hệ thống sản xuất tự động 1.2 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG BẢNG THỦY L ự c 1.2.1 u điểm - Truyền công suất cao tải ứọng lớn, cấu đơn giản hoạt động với độ tin cậy cao - Điều chỉnh vô cấp vận tốc cấu chấp hành - VỊ trí phần tử dẫn bị dẫn bố trí khơng lệ thuộc với - Có khả nâng giảm khối lượng kích thước cấu nhờ chọn áp suất cao - Bơm động thủy lực có qn tính nhỏ, dầu có tính chịu nén nên làm việc vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh hệ truyền động khí hay truyền động diện - Dễ đề phòng tải nhờ van an tồn - Có thể theo dõi tình ưạng lảm việc hệ thống, kể hệ phức tạp, nhiều mạch nhờ áp kế - Thuận lợi việc thục tự động hoá.đơn giản, kê thiêt bị phức tạp, cách dùng phần tử tiêu chuẩn hoa 1.2.2 Nhvgrc điểm - Tổn thất đường ống dẫn phần từ thuỷ lực nên làm giảm hiệu suât làm việc - Do dâu có tính đàn hồi nên khó ổn định vận tốc tải thay đôi 1.3 ĐỊNH LUẬT CỦA CHÁT LỎNG 1.3.1 Áp suất thủy tĩnh Áp suất lực tác dụng lên đơn vị diện tích Đơn vị áp suất thường dùng kg/cm2 Với chất lỏng lý tưởng có lực pháp tuyến Có hai loại áp suất áp suất trọng lượng áp suất ngoại lực Áp suất trọng lượng phụ thuộc chiều cao (h) từ mặt thoáng chất lỏng tới điểm xét, áp suất không phụ thuộc vào hình dáng thùng chứa (hình 1.1) Hình 1.1 Áp suất thùng chứa có hình dáng khác Già thiết chất lỏng khơng nén áp suất tuyệt đối tác động lên phần tử mặt chịu áp suất là: p = pgh + Po = yh + Po đó: p - khối lượng riêng chất lỏng; Y- trọng lượng riêng cùa chất lỏng; ( 1- 1) g - gia tốc trọng tnrờng; Po - áp suất khí mặt thống chất lỏng Vì áp kế thường chi đo hiệu số áp suất tuyệt đối áp suất khí nên kết đo áp kế gọi áp suất tưong đối: Ap = p - Po = pgh = yh (1-2) Nếu Áp đo kg/cm2, p đo g/cm3 h đo bàng m cơng thức viết: Ap = ph/10 Trong số phần tử hệ thủy lực, đường hút, áp suất nhỏ hom áp suất khí Khi hiệu áp đo áp kế thủy ngân (hình 1.2) Ap = pghi = pgh2 = Ỵihi + Y2h2 (1-4) đó: Pi Ỵj - khối lượng riêng trọng lượng riêng thủy ngân; P2 Y2 - khối lượng riêng trọng lượng riêng chẩt lỏng làm việc Áp suất tuyệt đối: Hình 1.2 Đo áp suất đường hút cùa bơm áp kế thủy ngân p = P0 - A p (1-5) Nếu chất lỏng chịu tác động ngoại lực áp suất tổng áp suất ngoại lực áp suất trọng trường chốt lỏng gây Thông thường người ta bỏ qua áp suất trọng trường gây giá trị cùa chiếm tỷ lệ khơng đáng kể Khi ta coi áp suất tất điểm ữong chât lỏng băng Đặc tính dùng để tính tốn truyền lực thiết bị thủy lực 1.3.2 Phtrvng trình dịng chảy liên tục A2 Lưu lượng (Q) chảy đường ống từ vị trí ( 1) đến vị trí (2) khơng đổi (hình 1.3) Lưu lượng Q chất lỏng qua mặt cắt A ống bàng toàn ống (điều kiện liên tục) Phưomg trinh dòng chảy là: Q = A.v = hàng số (const) đó: V (1 -6) - vận tốc chảy trung bình chất lỏng qua mặt căt A '2 Hình 1.3 Dịng chảy Hèn tục Nếu tiết diện chày hình ữịn, ta có: (1-7) Ql = Q2 hay vj.Ai = V2.A2 dj2 7i ~ v>- Vận tốc chảy vị tri 2: ( 1- 8) đó: Qi [cm3/s], Vị Ịcm/s], Ai [cm2], di [cm] - lưu lượng dòng chảy, vận tốc dịng chảy, tiết diện dịng chảy đường kính ống vị trí 1; Q2 [cm3/s], V2 [cm/s], A2 [cm2], d2 [cm] - lưu lượng dòng chảy, vận tốc dịng chảy, tiết diện dịng chảy đường kính ống vị trí 1.3.3 Phinmg trình Bernulli Trên hình 1.4, áp suất điểm chất lỏng chảy là: p, + p.g.h, + đó: = p2 + p.g.h2 + ^ = const Pi (1-9) T -^ Pi + P-ê _ áp suất thủy tĩnh; p + p.g.h2j - áp suất thủy động; Y= p.g - trọng lượng riêng m n h 14 phương trình BernuỊli 1.4 ĐƠN VỊ ĐO HỆ MÉT CỦA CÁC ĐẠI LƯỢNG c BẢN 1.4.1 Ảp suất (p) Theo đơn vị đo lường SI, áp suất Pascal (pa); pa = N/m2 - l m 1kgs - kg/ms2 Đơn vị nhỏ, nên người ta thường dừng đơn vị: N/mm2, N/cm so với đơn vị áp suất kg/cm2 có mối liên hệ sau: kg/cm2 « 0,1 N/mm2 = 10 N/cm2 = 105N/m2 (Trị số xác kg/cm2 = 9,8 N/cm2, gần kg/cm - 10 N/cm2) Ngồi ta cịn dùng: bar = 105N/m2 = kg/cm2 lat = 9,81.104N/m2 * 105N/m2 = bar lkp/cm2 = 0,980665 bar * 0,981 bar; bar » 1,02 kp/cm2 (Đơn vị kg/cm2 tương đương kp/cm2) 1.4.2 V ận tốc Đơn vị vận tốc dài V là: m/s; m/ph (1 m/ph = 1/60 m/s); cm/ph; cm/s (1 cm/ph = 1/6.10'3 m/s) Đơn vị vận tốc góc Q là: rad/s 1.4.3 G ia tốc Đơn vị gia tốc dài a : cm/s2; m/s2 (1 cm/s2 = 10'2 m/s2) Đơn vị gia tốc a là: rad/s2 1.4.4 Khối lượng riêng (p số tài liệu ký hiệu y) Đơn vị đo khối lượng riêng là: kg/m3; g/cm3 (1 g/cm3 = 103kg/m3) Khối lượng riêng loại dầu khác nhau, thay đổi theo nhiệt độ áp suất Thông thường lấy p = 850 -ỉ- 960 [kg/m3] / Trong tính tốn, thay đổi khối lượng riêng dầu dùng hệ thống thủy lực nhiệt độ áp suất khơng đáng kể lấy p = 900 [kg/m3] 1.4.5 Thể tích lưu lượng Thể tích (V): cm3, m3 lít (1) (1 cm3 = 103 mm3 = ml = 10'31- m3 = 106cm3) Lưu lượng (Q): cm3/s, rnVphút 1/phút Cơ cấu biến đổi lượng (bơm dầu, động dầu) dùng đơn vị là: cm3/vịng; lít/vịng lít/phút 1.4.6 Lực (F) Đơn vị đo lực là: kG N, kG = 9,81 N 1.4.7 Công suất (N) Đơn vị đo công suất là: Watt (W), w = Nm/s = m2.kg/s3 1.4.8 Độ nhót động lực Đơn vị đo độ nhót động lực là: Poizơ, Ns/m2 (1 Poizơ = 1/10 Ns/m2) 1.4.9 Độ nhót động Đơn vị đo độ nhớt động là: Stốc (St), m2/s (lS t = lO^nrVs) 1.5 NGUYÊN LÝ TRU YÊN ĐỘNG Lưu chất để truyền lượng dầu thủy lực 1.5.1 Hẹ thủy lực tạo chũyển động tịnh tiến - Sơ đồ nguyên lý A| A2 X|, Vi Hình 1.5 Sơ đồ mạch thủy lực tạo chuyển động tịnh tiên - Hành trình làm việc X|, V, \ r1 D Fl Ị Q ^ ■Pi \A / 1Z Q ỉ, P2«0 I I -T X Hình 1.6 Mơ hình tinh tốn xilanh Phương trình cân lực: _ „ dvi t , f A,.p, - A 2.p2 = m ^ - + Fc +F l dt đó: Fc - lực ma sát nhớt; F l - tải trọng ngồi 10 ( 1- 10) Phương trình logic sau đơn giản: Y* = Cj; Y'= do- X Vậy phương trình logic sau đơn giản Karnaugh là: A+ = x ỹ S o ; A' = x; B+ = ao.x.ỹ; B‘ =co.y c + = bị.ỹ; C‘=y; D+ = bo.x.y; D '= X x + = a ,; x - = di; ^ = ,; Y'=do.x Sơ đô mạch logic sau đơn giản biểu diễn hình 10.55 ao „ u bo K b| Co C] — — A A dị X X y So L & x+ s ‘r A+ A A- X' Y+ \B & B+ & B' & £+ & ĩĩítiìt 10.55 Sơ đo mạch logic đơn giản (T b & CD+ D' Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển khí nén thể hình 10 56 if o jlf j XilanhB iS lS Xilanh C |C0|Tci Yi|*nh n A d ,, Hình 24 S đ ô nguyên lý m ch đ iề u khiển b ằ n g k h i nén - a , „ Do Q| 30 a! XilanhB r-, n Xilanh A J a I* s s - , s a Yiianh c Xilann — ZI Xilanh D — V r ^ n C > -' = ai-bi-Ci-do ai-bo-Ci-do 247 BỊ —aj.fei.co.do A’—aj.feo.co.do c+- D+ = ao-bo-Co.do aj.bo.co-do D = ao.bo-Co.dj B = aj.bo.Cj.do Bước: So® T l 11*1 ao \ / ị Xilanh B 10 aĩl a, Xilanh A \ Xilanh c / \/ r c0 àx * Xilanh D A+ \ \ B+ B’ C+ Bị B; c- A- / D" \ D Hình 10.58 Biểu đồ trạng thái So sanh phương trình trên, ta thấy điều kiện để thực c+ A giông nhau, điêu kiện đê thực B C' giống nhau, điều kiện để thực A D giông Như vậy, đề phân biệt điều kiện thực trên, ta sử dụng phân tử nhớ trung gian (X, Y) Sau ta thêm tín hiệu điều khiển phần tử nhớ trung gian, phương trình ỉogic viết lại sau: A+ = ao.bo.c0.do.s0 X ỹ B f = ao-bo-Co-do- X •ỹ B [ = b] ,c0.d0.x ỹ c+= aj bo.c0.do.x ỹ = aj.b 0.ci.do.x.ỹ B j = ai.bj.C].do.x.y C '= aj.bo.cj.do.x.y A'= aj.bo.co.do.x.y D+ = ao.bo-Co-do-x.y D’= X+ = aj.bi.c0.do.x.ỹ X'= ao.bo-Co-di.x.y Y+ = aj.bi.cj.do.x.ỹ Y’= ao-bo-co-do-x -y a o -b o -C o -d i - X Như vậy, ta có 12 phương trình khơng trùng 248 y Thiế, lập biểu dồ Karnaugh v6i biếu đưọc biểu diỉn