Chương 1 - Cơ sở truyền động thủy lực

Chương 1 - Cơ sở truyền động thủy lực (Phần 1 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 1 - Cơ sở truyền động thủy lực1.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động thủy lực

Từ thời xưa, con người đã biết sử dụng sự chênh lệch áp suất để kéo cối xay lương thực hoặc đưa nước vào đồng ruộng, vào thế kỷ thứ hai trước công nguyên người Hy Lạp đã sáng chế piston bằng gỗ, để bơm nước lên cao Tới thế kỷ XV nhà bác học người Ý D Franxi đã đưa ra khái niệm về bơm ly tâm và tới thế kỷ XVI bơm ly tâm đã được chế tạo tại Pháp Vào thế kỷ XVIIIhai viện sỹ người Nga là Euler và Zucopsky đã nghiên cứu phát minh lý thuyết cơ học chất lỏng

và máy thủy lực, lý thuyết này làm cơ sở cho nhiều phát minh khác về các loại máy thủy lực và

hệ truyền động thủy lực sau này

Vào những năm 1920, truyền động thủy lực được ứng dụng trong các máy công cụ, dùng để thực hiện chuyển động của bàn máy như thực hiện chuyển động chạy dao dọc và ngang của máy phay, máy mài, v.v… với công suất nhỏ

Từ đó đến nay, truyền động bằng thủy lực đã được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các nganh kỹ thuật như ngành cơ khí, nông nghiệp, khai thác mỏ, hóa chất, giao thông vận tải, xây dựng, hàng không và vũ trụ v.v… và đã phát triển mạnh ở các nước công nghiệp Đặc biệt, từ những năm 1980 trở lại đây nhờ sự phát triển mạnh của kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin mà kỹ thuật điều khiển hệ thống thủy lực đã phát triển có mức độ tự động hóa cao Kỹ thuật này đượcứng dụng để truyền động cho những cơ cấu có công suất lớn, nhờ truyền động vô cấp chính xác

mà nó được ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng và vị trí của cơ cấu chấp hành khi yêu cầu độ chính xác cao Ngoài ra, sử dụng để phối hợp sự hoạt động giữa các cơ cấu công tác của các thiết bị hoặc dây chuyền thiết bị tự động bằng điều khiển logic Ví dụ: hệ thủy ứng dụng

để truyền động và điều khiển các thiết bị như máy ép, robot công nghiệp, máy CNC, các dây chuyền sản suất tự động hoặc trong các thiết bị tự động công nghiệp khác…

Ở Việt Nam, truyền động thủy lực đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị, các máy tựđộng và hệ thống sản xuất tự động

1.2 Ưu và nhược điểm của hệ truyền động bằng thủy lực

1.2.1 Ưu điểm

- Truyền được công suất cao và tải trọng lớn, cơ cấu đơn giản và hoạt động với độ tin cậy cao

- Điều chỉnh được vô cấp vận tốc của cơ cấu chấp hành

- Vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn bố trí không lệ thuộc với nhau

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước các cơ cấu nhờ chọn áp suất cao

- Bơm và động cơ thủy lực có quán tính nhỏ, dầu có tính chịu nén nên có thể làm việc ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như hệ thống truyền động cơ khí hay truyền động điện

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn

- Có thể theo dõi tình trạng làm việc của hệ thống, kể cả các hệ phúc tạp, nhiều mạch nhờ

áp kế

- Thuận lợi trong việc thực hiện tự động hóa đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa.

1.2.2 Nhược điểm

- Tổn thất trong đường ống dẫn và các phần tử thủy lực nên làm giảm hiệu suất làm việc

- Do dầu có tính đàn hồi nên khó ổn định vận tốc khi tải thay đổi

ρ : khối lượng riêng của chất lỏng;

γ : trọng lượng riêng của chất lỏng;

g : gia tốc trọng trường;

p0 : áp suất khí quyển ở mặt thoáng chất lỏng

Vì áp kế thường chỉ đo hiệu số giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển nên kết quả đo của

áp kế được gọi là áp suất tương đối:

∆ p =ρg h1=ρg h2=γ1h1+γ 2h2 (1-4)

Trong đó:

ρ1 và γ1 : khối lượng riêng và trọng lượng riêng của thủy ngân;

ρ2 và γ2 : khối lượng riêng và trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

Áp suất tuyệt đối:

Nếu chất lỏng chịu tác động của ngoại lực thì áp suất sẽ là tổng áp suất do ngoại lực và áp suất

do trọng trường của chất lỏng gây ra Thông thường người ta bỏ qua áp suất do trọng trường gây ra vì giá trị của nó chiếm một tỷ lệ không đáng kể Khi đó ta coi áp suất ở tất cả các điểm trong chất lỏng là bằng nhau Đặc tính này được dùng để tính toán sự truyền lực trong các thiết

bị thủy lực

1.3.2 Phương trình dòng chảy liên tục

Lưu lượng (Q) chảy trong đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi (hình 1.3) Lưu lượng

Q của chất lỏng qua các mặt cắt A của ống là bằng nhau trong toàn (điều kiện liên tục)

Phương trình dòng chảy là:

Q = A v=hằng số (const ) (1-6)

Trong đó:

v : vận tốc chảy trung bình của chất lỏng qua mặt cắt A

Nếu tiết diện chảy là hình tròn, ta có:

1.4.1 Áp suất (p)

Theo đơn vị đo lường SI, áp suất là Pascal (pa); 1 pa=1 N /m2

=1m−1kg s−2=1 kg/m s2

Đơn vị này khá nhỏ, nên người ta thường dùng đơn vị: N /m m2

, N /cm2 và so với đơn vị áp suất

là kg/cm2 thì nó có mối liên hệ như sau:

Đơn vị gia tốc dài a là: cm/s2; m /s2(1 cm/ s2

=10−2m / s2) Đơn vị gia tốc a là: rad /s2

1.4.4 Khối lượng riêng (ρ hoặc một số tài liệu ký hiệu γ)

Đơn vị đo khối lượng riêng là: kg/m3

; g/cm3(1 g /cm3=103kg /m3)Khối lượng riêng của các loại dầu là khác nhau, nó thay đổi theo nhiệt độ và áp suất Thông

thường lấy ρ=850÷ 960[kg /m3]

Trong khi tính toán, sự thay đổi khối lượng riêng của dầu dùng trong hệ thống thủy lực khi nhiệt

độ và áp suất là không đáng kể và có thể lấy ρ=900[kg /m3]

Cơ năng (làm quay bơm dầu)

Nhiệt

năng hoặc

điện năng

Hành trình làm việc

Với giá trị F L cho trước , ta chọn p1 và tính A1(cm2).

Phương trình cân bằng lưu lượng:

V1 : thể tích dầu công tác trong xylanh;

B : modun đàn hồi của dầu.

Ở chế độ làm việc ổn định p1=const ⟹ dp1

dt =0 và nếu bỏ qua lưu lượng do tổn thất (λ p1) thì gần đúng sẽ là:

Q1= A1 v1(cm3/s hoặc l/ ph) (1-13)

Tương tự: Q2= A2 v2(cm3

/s hoặc l/ ph) (Q2≠ Q1do A1≠ A2) (1-14)Hành trình lùi về (hành trình chạy không)

Phương trình cân bằng lưu lượng và phương trình cân bằng lực cũng tương tự như hành trình công tác

Nếu tải F L =0⟹ p2 chỉ thắng lực ma sát, tức là p2 A2≥ F c

Lưu lượng: Q1= A2 v2 (1-15)

Do A1> A2⟹ v2>v1

Công suất (ở hành trình làm việc)

Công suất của cơ cấu chấp hành:

Nếu bỏ qua tổn thất từ bơm từ bơm đến cơ cấu chấp hành thì N CH ≈ N bơm

Công suất động cơ điện:

Bơm dầu cũng như các phần tử thủy lực khác chọn theo áp suất p và lưu lượng Q

Nếu biết lưu lượng riêng của bơm q b ta có thể xác định được lưu lượng của bơm Q b (l/ ph hoặc

q b : lưu lượng ứng với một vòng quay của bơm, (l/vg hoặc cm3

/vg);

V : thể tích riêng của bơm, [cm3];

n b : số vòng quay của bơm, [vg / phút];

η v : hiệu suất lưu lượng riêng của bơm;

M : momen xoắn trên trục bơm, [Nm]

1.5.2 Hệ thủy lực tạo chuyển động quay

Sơ đồ nguyên lý:

Các giá trị thu gọn được xác định như sau:

Các tính toán cơ bản: Phương pháp tính toán cho hệ chuyển động quay cũng tương tự như hệ chuyển động tịnh tiến.

Phương trình cân bằng lực (momen trên trục roto):

D m : thể tích riêng của động cơ dầu, [cm3];

f : hệ số ma sát nhớt, [kg cm s /rad];

M X momen xoắn, [kg cm];

θ : góc quay của trục động cơ dầu, [rad]

Ở chế độ làm việc ổn định Ω= dθ dt =const, nếu bỏ qua lực ma sát, do p1≫ p2 (p2=3÷ 8 kg/cm2

Ở chế độ làm việc ổn định p1=const nên dp1

dt =0 và nếu bỏ qua lưu lượng do tồn thất thì:

Với D= D m

2 π; đơn vị D là cm3/rad , D m là cm3, Ω là rad/s và Q l là cm3/ s

Đặc điểm của mô tơ thủy lực là có kết cấu đối xứng nên Q1=Q2=Q

Công suất trục ra của động cơ dầu:

M X : momen trên trục động cơ dầu, [Nm];

n d : số vòng quay của trục động cơ dầu, [vg/ph]

Ngoài ra công suất thủy lực của động cơ dầu cũng được tính tương tự như bơm dầu:

N= p1.Q

Nếu bỏ qua tổn thất trong động cơ dầu và thay (1-29) vào (1-28) thì momen xoắn của trục động

cơ dầu có thể xác định:

M X =0,0163 p1 q d [ Nm] (1-30)

Các phần tử thủy lực khác được chọn dựa vào áp suất p và lưu lượng Q

1.6 Tổn thất trong hệ thống truyền động thủy lực

Trong hệ thống truyền động thủy lực có các loại tổn thất sau:

1.6.1 Tổn thất thể tích

Loại tổn thất này là do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của hệ thống gây nên Nếu áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn.Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu và xilanh thủy lực)

Đối với bơm dầu, tổn thất thể tích được thể hiện bằng hiệu suất sau:

Q : lưu lượng thực tế của bơm dầu;

Q0 : lưu lượng danh nghĩa của bơm;

Q đ : lưu lượng thực tế của động cơ dầu;

Q 0 đ : lưu lượng danh nghĩa của động cơ dầu

Nếu như không kể đến lượng dầu rò ở các mối nối, ở các van thì tổn thất trong hệ thống thủy lực của tổ hợp bơm dầu và động cơ dầu là:

1.6.2 Tổn thất cơ khí

Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối ở trong xilanh, bơm dầu

và động cơ dầu gây nên

Tổn thất cơ khí của bơm được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí:

η cb=N0

Công suất cần thiết để đảm bảo lưu lượng Q và áp suất p của dầu:

Nếu p0 là áp suất cung cấp của hệ thống và p l là áp suất làm việc thì tổn thất được biểu thị bằnghiệu suất:

λ =λ LAM−256

π .

D v Q

λ TURB : hệ số ma sát đối với chảy rối.

b) Tiết diện thay đổi đột ngột (hình 1.12)

Có trước

0,50,250,06

< 3k) Đầu ra ống dẫn (hình 1.17)

m) Tổn thất trong hệ thống thủy lực (được tính riêng).

1.7 Độ nhớt và yêu cầu đới với dầu thủy lực

1.7.1 Độ nhớt

Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của chất lỏng Độ nhớt được tạo nên

do liên kết giữa các phần tử Theo giả thiết Niuton, lực ma sát trong (nội ma sát) xuất hiện trên bề mặt của hai lớp chất lỏng chuyển động sát nhau tỷ lệ thuận với vận tốc trượt và bề mặt ma sát Lực ma sát do được xác định theo công thức:

T =μ F dv

μ : hệ số ma sát trong hay còn gọi là độ nhớt tuyệt đối hoặc độ nhớt động lực.

Gradien vận tốc dv dy dùng để xác định sự thay đổi vận tốc v qua một đơn vị đo độ dài theo hướng y và cũng chính là cường độ trượt giữa các lớp chất lỏng tại một điểm

Hệ số nhớt tuyệt đối μ là lực ma sát tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt của các lớp trượt tương đối với nhau khi gradien vận tốc bằng một, có nghĩa là khi độ thay đổi vận tốc trên một đơn vị khoảng cách giữa các chất lỏng trượt bằng một

Hệ số nhớt tuyệt đối được tính bằng Poazơ (viết tắt là P):

1 P=0 ,1 N s/m2

=0,010193 kG s/m2

;1 P=100 cP(centi Poazơ ) Trong tính toán kỹ thuật thường số quy tròn: 1 P=0,0102kG s/m2

Khi nghiên cứu chuyển động của chất lỏng thường phải xét khả năng lực nhớt, lực này chống lại lực quán tính của chất lỏng Vì vậy, trong tính toán hệ thủy lực thường sử dụng tỷ

số giữa hệ số nhớt động lực μ với khối lượng riêng ρ của chất lỏng Tỷ số này được gọi là hệ

Hiện nay vận chưa có phương pháp nào xác định chính xác độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng

vì vậy thường dùng các đơn vị quy ước tương đối

Độ nhớt tương đối là độ nhớt được thể hiện bằng đơn vị quy ước và xác định nhờ các dụng

cụ đo đặc biệt (gọi là nhớt kế)

Độ nhớt theo Engler (E0) là tỷ số giữa thời gian chảy 200 cm3 chất lỏng được thử qua lỗ nhớt

kế (ϕ 2,8 mm) với thời gian chảy 200 cm3 nước cất qua lỗ này ở nhiệt độ +20℃

E0 : độ nhớt tương đối theo Engler;

ρ : khối lượng riêng của chất lỏng, [kg /l]

Độ nhớt tương đối không tính đến bản chất vật lý của độ nhớt nên các công thức chuyển từ đơn vị độ nhớt tương đối sang độ nhớt tuyệt đối và độ nhớt động chỉ ở mức tương đối chính xác

Trong tính toán hệ truyền động thủy lực có thể dùng công thức gần đúng sau:

1.7.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực

Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc là độ nhớt, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định tính chất hóa học và tính chất vật lý, tính chống rỉ, tính ăn mòn các chi tiết cao su, khả năng bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông đặc Ngoài ra cũng cần chú ý đến các đặc tính như khối lượng riêng và tạp chất cơ học

Chất lỏng làm việc phải đảm bảo các yêu cầu sau:

1 Có khả năng bôi trơn tốt các bề mặt tiếp xúc khi nhiệt độ và áp suất làm việc có sự thay đổi lớn

2 Trong khoảng nhiệt độ làm việc, độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ

3 Có áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao.

4 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

5 Giữa được tính chất cơ học và hóa học trong một thời gian dài ở điều kiện bảo vệ bình thường

6 Có thời hạn phục vụ lâu, chịu được nhiệt độ cao, có khả năng chống hóa nước và oxy hóa

7 Bản thân chất lỏng, hơi của nó và các chất do quá trình phân hủy chất lỏng, không gây độc hại lớn

8 Có modun đàn hồi lớn

9 Ít bị sủi bọt, có khối lượng riêng nhỏ

10 Có tính dẫn nhiệt tốt, hệ số nở nhiệt thấp và nhiệt dung riêng lớn

11 Không hút ẩm và khả năng hòa tan với nước không lớn, giữ được tính chất ở dạng êmunxi, dễ dàng tách nước ra khi bị nước lẫn vào Tính chất làm việc không bị ảnh hưởng nếu lượng nước dưới 1%

Tham khảo một số tiêu chuẩn cơ bản của một số loại dầu do Nga sản xuất (bảng 1.4)

Bảng 1.4 Bảng tra cứu một số loại dầu

50℃, cSt Nhiệt độbắt lửa

℃

Nhiệt độ đông đặc,

MC – 22 193 210 -14 905

Các loại dầu công nghiệp được quy định theo Γ OCT 1707−51 và các loại dầu turbin theo

Γ OCT 32−74 Các chỉ số của tên dầu (ví dụ số 12 của dầu công nghiệp 12) chỉ trị số độ nhớt

trung bình đo bằng cSt ở nhiệt độ 50℃.

Nguyên tắc chung để lựa chọn dầu là: hệ thống làm việc với áp suất cao thì cần dầu có độ nhớt cao và làm việc với vận tốc cao thì cần dầu có độ nhớt thấp

Ngoài ra cần chú ý:

Đối với hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động tịnh tiến, làm việc với áp suất khoảng từ

20 ÷ 30(kg /cm2), có vận tốc v>8 (m/ ph) thì thường dùng dầu có độ nhớt từ

(11÷ 20).10−6m2/s, tương ứng với dầu công nghiệp 12 và 20

Đối với hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay thường dùng dầu có độ nhớt từ(20 ÷ 40).10−6m2/s, tương ứng với dầu turbin 22 hoặc dầu công nghiệp 20, 30, và 45

Đối với hệ thống làm việc với áp suất từ 3 0 ÷ 7 0(kg /cm2) thì dùng dầu có độ nhớt từ

Đối với những hệ thống thủy lực làm việc trong giới hạn nhiệt độ tương đối (từ 20÷ 70℃)

thì có thể dùng dầu có độ nhớt từ (25 ÷ 3 0).10−6m2

/s.Nếu cần phải đảm bảo độ chính xác truyền động cao trong trường hợp phạm vi thay đổi nhiệt độ lớn, người ta dùng dầu tổng hợp có tên gọi là Silicon Nó là một chất trung hợp hữu

cơ Silic có nhiệt độ đông đặc từ −50℃ đến −70℃ và độ nhớt rất ít bị thay đổi trong giới

hạn nhiệt độ cao

Sau một thời gian làm việc, dầu mất dần các đặc tính như tính bôi trơn, độ nhớt,… Một trong những nguyên nhân chủ yếu là dầu phải chảy qua rất nhiều khe hở nhỏ trong các cơ cấu thủy lực với vận tốc lớn, làm dầu bị nóng, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc phần tử của dầu

Vì thế, sau thời gian khoảng 8÷ 12 tháng cần phải thay dầu mới.

Ngoài yếu tố trên, sự tiếp xúc của dầu với không khí, nhất là bề mặt tiếp xúc với không khí

có nhiệt độ cao sẽ làm cho dầu chống bị oxy hóa Khi đó, trong dầu sinh ra những hạt cặn,

dễ làm kẹt các khe hở ở các van và góp phần làm rỉ các bề mặt tiếp xúc với nó Không khí chẳng những tiếp xúc với dầu, mà còn hòa tan trong dầu, qua các khe hở giữa các mối nối,

khe hở ở ống hút, ở trục quay của bơm dầu, cũng như trong quá trình luân chuyển và khuấy động ở trong bể dầu Không khí hòa tan trong dầu dưới dạng những bong bóng li ti Nó làm giảm modun đàn hồi của dầu và do đó làm giảm ổn định truyền động của cơ cấu, như làm cho chuyển động bị đứt quãng, rung giật hoặc làm chậm việc truyền các tín hiệu của cơ cấu thủy lực Vì thế việc đảm bảo chắn khít trong hệ thống thủy lực là rất quan trọng để đảm bảo các cơ cấu làm việc bình thường và đảm bảo tuổi thọ của dầu Để giảm lượng không khí hòa tan vào dầu, ống dẫn dầu ra từ hệ thống thủy lực luôn luôn đặt dưới mức dầu ở trong bể.

1.7.3 Độ đàn hồi của dầu

Khi hệ thống thủy lực làm việc với áp suất cao, thể tích dầu bị giảm và làm ảnh hưởng đến tính năng động học của máy, có thể gây nên rung động và truyền động không ổn định Nếu

hệ thống cần phải đảm bảo độ chính xác cao thì cần tính đến độ đàn hồi của dầu Do bị đàn hồi, thể tích dầu bị giảm đó có thể tính theo công thức sau:

∆ V=V ∆ p

Trong đó:

V : thể tích của lượng dầu ban đầu, [lít];

∆ p : hiệu áp giữa áp suất ban đầu và áp suất cuối, [N /m2];

B : modun đàn hồi của dầu khoáng chất, [N /m2];

Trong giới hạn áp suất từ 5 ÷ 100 kg /cm2, có thể lấy B=(1, 4 ÷ 1,75).109

N /m2, nếu áp suất

dưới 5 kg/cm2 thì lấy B=0 ,38.109N /m2