Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ổn định tốc độ hệ thống thủy lực

Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ổn định tốc độ hệ thống thủy lực” mà nhóm sinh viên nghiên cứu là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao, sinh viênđược nghiên cứu lý thuyết

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Giới thiệu chung về đề tài 2

1.2 Các vấn đề đặt ra 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi và giới hạn đề tài nghiên cứu 3

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ HỆ THỦY LỰC 5

2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thủy lực 5

2.2 Ưu - nhược điểm của truyền động thủy lực 5

2.3 Hệ thống điều khiển thủy lực 5

2.4 Cấu tạo, chức năng các thiết bị cơ bản 6

CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 23

3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống 23

3.3 Mô hình hệ thống thủy lực 38

3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID cho động cơ 1 chiều 39

3.6 Sơ đồ khối hệ thống 46

3.7 Lưu đồ thuật toán 47

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 48

4.1 Tính chọn xy lanh 48

4.2 Tính chọn bơm dầu 50

4.3 Tính chọn động cơ dẫn 54

4.4 Tính toán ống dẫn dầu 54

4.6 Thiết kế mạch điều khiển 55

4.7 Thiết kế hệ thống cơ khí 58

CHƯƠNG V KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 65

5.1 Kết quả đánh giá 65

5.2 Hướng phát triển đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2-1 Hệ thống điều khiển bằng thủy lực 6

Hình 2-2 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực 6

Hình 2-3 Sơ đồ kết cấu bơm bánh răng 7

Hình 2-4 Xy lanh tác dụng kép 8

Hình 2-5 Các loại van một chiều 9

Hình 2-7 Tiết lưu 10

Hình 2-8 Các cách mắc tiết lưu 10

Hình 2-9 Kết cấu thùng chứa chất lỏng 11

Hình 2-10 Áp kế lò xo 12

Hình 2-11 Bộ điều khiển chỉ có khâu tỉ lệ 15

Hình 2-12 Các giá trị khác nhau của K P. 16

Hình 2-13 Ảnh hưởng của khâu vi phân 16

Hình 2-14 Ảnh hưởng của khâu tích phân 17

Hình 2-15 Đáp ứng quá độ của hệ thống với đầu vào là bậc thang đơn vị 18

Hình 2-16 FET 19

Hình 2-17 Sơ đồ chân Atmega8 21

Hình 2-18 Cấu trúc chân của AVR 21

Hình 3-1 Sơ đồ mắc tiết lưu 24

Hình 3-2 Sơ đồ bố trí van tiết lưu với bơm có áp lực thay đổi 25

Hinh 3-3 Sơ đồ tính toán điều chỉnh bằng tiết lưu ở đường dầu ra 25

Hình 3-4 Sơ đồ điều chỉnh bằng thể tích 28

Hình 3-5 Sơ đồ mô hình hoá phương pháp điều chỉnh bơm năng suất 29

Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều tốc 30

Hình 3-7 Kết cấu bộ điều tốc 31

Hình 3-8 Sơ đồ mắc bộ điều tốc trên đường vào 32

Hình 3-9 Sơ đồ bố trí bộ điều tốc lắp tại lối ra của cơ cấu chấp hành 34

Hình 3-10 Sơ đồ mắc bộ điều tốc song song với cơ cấu chấp hành 36

Hình 3.11 Sơ đồ ổn định vận tốc bằng phương pháp thay đổi năng suất bơm 37

Hình 3.12 Hệ dẫn động Servo thủy lực 1 trục trong máy CNC 37

Hình 3-13 Sơ đồ bố trí mô hình 38

Hình 3-14 Sơ đồ mô phỏng hệ thống thủy lực 39

Hình 3-15 Sơ đồ mô phỏng động cơ một chiều 39

Hình 3-16 Biểu đáp ứng của vòng hở 41

Hình 3-17 Biểu đáp ứng với khâu tỉ lệ K p 42

Hình 3-18 Đáp ứng với bộ điều khiển PID với K p và K I nhỏ 43

Hình 3-19 Đáp ứng với bộ điều khiển PID với K I = 200 43

Hình 3-20 Đáp ứng với bộ điều khiển PID 44

Hình 3-21 Sơ đồ khối hệ thống 46

Hình 4-1 Sơ đồ lực tác dụng lên xylanh 48

Hình 4-2 Sơ đồ làm việc của bơm bánh răng 52

Hình 4-3 Sơ đồ ăn khớp của cặp bánh răng 53

Hình 4-4 ZongShen 24V 250W 54

Hình 4-5 Khối nguồn 56

Hình 4-6 Màn hình hiển thị LCD 56

Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lí khối xử lí trung tâm 57

Hình 4-8 mạch công suất 57

Hình 4-9 Mạch khuếch đại 58

Hình 4-10 Thùng dầu 58

Hình 4-11.Chân đế , giá đỡ động cơ dẫn 59

Hình 4-12 Mặt trên 59

Hình 4-13 Mặt trước 59

Hình 4-14 Mặt bên 60

Hình 4-15.Vách ngăn 60

Hình 4-16 Chân đế 61

Hình 4-18 Bộ dẫn hướng sau khi lắp 62

Hình 4-19 Hộp điều khiển 62

Hình 4-20 Giá đỡ hộp điều khiển 63

Hình 4-21 Giá đỡ máy bơm, nắp bên thùng dầu 63

Hình 4.9 giao diện hoạt động 64

Hình 4.10 Mô hình hệ thống 64

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay cácthiết bị truyền dẫn, điều khiển thủy khí sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở hầuhết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, máy dập, máy xây dựng, máy épkhuôn, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm,… do nhữngthiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn vớikích thích nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bịtruyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện

Đề tài “Nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển ổn định tốc độ hệ thống thủy lực”

mà nhóm sinh viên nghiên cứu là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao, sinh viênđược nghiên cứu lý thuyết về truyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vậntốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực, các phương án nâng cao độ

ổn định trong điều khiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi

Khi thực hiện đồ án này, bản thân chúng em cũng đã cố gắng tìm tòi, nghiêncứu các tài liệu một cách nghiêm túc và mong muốn là đồ án đạt kết quả tốt nhất Tuynhiên vì bản thân còn ít kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót Một lầnnữa chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tụy truyền đạt các

kiến thức quý báu cho chúng em Đặc biệt, chúng em xin gửi lời biết ơn đến thầy Bùi Thanh Lâm, đã quan tâm giúp đỡ trong suốt quá trình làm việc, đóng góp ý kiến để

tạo điều kiện thuận lợi cho bản thân chúng em hoàn thành đề tài

Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2014 Nhóm sinh viên thực hiện:

Lê Duy TụMai Xuân PhúPhạm Văn Thư

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung về đề tài.

Với nhiều ưu điểm, truyền động thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãitrong nhiều lĩnh vực công nghiệp Ở nước ta hiện nay trong nhiều máy công cụ, máynông nghiệp, máy vận chuyển, máy xây dựng, khai thác mỏ, địa chất, vận tải,.v.v đã

có nhiều bộ phận dùng đến truyền động thủy khí Truyền động thủy khí có nhiều ưuđiểm, dễ dàng điều khiển tự động hóa vận tốc cơ cấu chấp hành, quá trình điều khiểnyêu cầu độ chính xác cao như trong các máy CNC, các cơ cấu cấp phôi, các thiết bịnâng hạ chi tiết, những cơ cấu chịu tải trọng thay đổi, chất lượng sản phẩm ảnh hưởngtrực tiếp bởi tính chính xác về điều chỉnh và ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành

Do vậy, nghiên cứu động lực học để tìm ra phương án ổn định tốc độ cơ cấuchấp hành của hệ thống tự động thủy khí là rất cần thiết, giúp cho việc khai thác sửdụng thiết bị hiệu quả, cũng như nghiên cứu thiết kế thiết bị mới

Với sự ra đời của hệ thống ổn định tốc độ cơ cấu chấp hành hệ thống thủy khí,các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy khí có thêm phương án để nâng cao độ chínhxác và sự ổn định, giúp hệ thống hoạt động một cách chính xác và hiệu quả hơn rấtnhiều

1.2 Các vấn đề đặt ra.

Các nghiên cứu động lực học trước đây đối với hệ thống tự động thủy lực chuyểnđộng có tải trọng, người ta thường coi tải trọng tác dụng là không đổi và thường bỏqua một số thông số ảnh hưởng đến hệ thống Điều này chỉ đúng với một số trườnghợp khi thiết kế máy yêu cầu độ chính xác không cao Tuy nhiên, nhiều thiết bị sửdụng trong thực tế có tải trọng thay đổi và chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố vì vậytốc độ của cơ cấu chấp hành sẽ biến thiên Việc thiết kế một mô hình tính toán ổn địnhtốc độ cơ cấu chấp hành của hệ thống thủy khí chuyển động chịu tác dụng của tải trọngthay đổi và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển là rất quan trọng.Với yêu cầu cảu đề tài nhóm xác định các yêu cầu công nghệ như sau

 Tải trọng của tải thay đổi từ 0kg – 50kg

 Công suất động hệ thống 250W

 Tốc độ cơ cấu chấp hành ổn định ở mức 1,5 cm/s

 Sai số vận tốc <20%

 Tổn hao năng lượng do dầu rò <10%

 Đưa hệ thống vào hoạt động thực tế, so sánh hệ thống trước và sau khi có bộđiều khiển

Yêu cầu với thiết kế cơ khí:

 Bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết đầy đủ thông số chế tạo

Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển:

 Xây dựng thuật toán điều khiển đơn giản, dễ hiểu

 Thiết đặt tốc độ cơ cấu chấp hành từ thiết bị ngoài

1.3 Phương pháp nghiên cứu.

Đối với một hệ thống cơ điện tử thì phương pháp thiết kế là rất quan trọng nómang tính tổng quát và là tiên phong trong một đồ án cơ điện tử

Hệ thống ổn định tốc độ cơ cấu chấp hành hệ thống thủy khí đã được ứng dụngrộng rãi trong các máy CNC, Robot công nghiệp, các hệ thống sản xuất linh hoạt Đã

có một số công trình, đề tài nghiên cứu về vấn đề này Nên trong quá trình làm đồ án,nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu như sau:

 Nghiên cứu mô hình của hệ thống thật trên các máy công cụ Từ đó áp dụng đểthiết kế trong giới hạn đề tài

 Tìm hiểu các đề tài có liên quan, áp dụng các kiến thức đã được biết trong quátrình học

 Từ lý thuyết nghiên cứu được tiến hành viết chương trình điều khiển và môphỏng trên máy tính, sau đó thử nghiệm các modul điều khiển các chương trìnhtrên cơ cấu cơ khí thật

 Áp dụng phương pháp luận trong thiết kế cơ điện tử vào thiết kế đồ án, cụ thểlà:

 Thiết kế theo tuần tự và đồng thời

 Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần thủy khí và điện, tối ưu hóa các thiết

kế trước khi chế tạo

1.4 Phạm vi và giới hạn đề tài nghiên cứu.

Đây là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao và phạm vi kiến thức rất rộng,nhưng với với trò là một đồ án tốt nghiệp, nhóm nghiên cứu sẽ đi sâu vào lý thuyết vềtruyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệthống truyền động thủy lực, tìm hiểu các phương án nâng cao độ ổn định trong điềukhiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi

Trong đề phạm vi đề tài nhóm sẽ đề cập, tính toán, phân tích hai phương án để

 Tính toán tổn thất vận tốc khi sử dụng phương pháp tiết lưu

 Ưu nhược điểm của các vị trí mắc bộ điều tốc

 Phương án 2: Phương pháp thể tích.

 Sử dụng bơm có năng suất thay đổi

 Ứng dụng các phương điều khiển tốc độ động cơ, từ đó điều chỉnh vận tốc của

cơ cấu chấp hành

 Đưa ra đáp ứng vận tốc của cơ cấu chấp hành trước và sau khi có bộ điều khiển

 Tính toán các tổn thất năng lượng khi sử dụng phương pháp thể tích

Từ đó có thể đưa ra đánh một cách chính xác về ưu, nhược điểm của từngphương án và lựa chọn vào từng trường hợp cụ thể cho phù hợp với yêu cầu thực tế.Thông qua đó kết hợp với những kiến thức về truyền động thủy lực cũng như cơ khínói chung để chế tạo mô hình thực nghiệm cho những cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu vàtìm hiểu

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ HỆ THỦY LỰC 2.1 Giới thiệu chung về hệ thống thủy lực.

Truyền động thủy lực (truyền động thủy khí) là tổ hợp các cơ cấu thủy lực vàmáy thủy lực, dùng môi trường chất lỏng làm không gian để truyền năng lượng từ bộ

phận dẫn động đến bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, mômen và biếnđổi dạng theo quy luật chuyển động.

2.2 Ưu - nhược điểm của truyền động thủy lực.

Truyền động thủy lực có ưu điểm chung là:

 Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động trong điều chỉnh vận tốc chuyểnđộng của bộ phận làm việc, thực hiện ngay khi máy đang làm việc

 Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc với nhau,các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ

 Do chất lỏng làm việc trong truyền động thủy lực chủ yếu là dầu nên có điềukiện bôi trơn rất tốt các chi tiết

 Truyền động êm dịu

 Cho phép đảo chiều chuyển động của bộ phận làm việc dễ dàng

 Có thể phòng sự cố khi máy quá tải

 Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ, được dùng nhiều trong hệ thống tự động

 Truyền động công suất làm việc lớn

Tuy nhiên truyền động thủy lực cũng có những nhược điểm hạn chế phạm vi sửdụng của nó:

 Vận tốc chuyển động bị hạn chế vì phải đề phòng sự va đập thủy lực khi thaotác với các thiết bị, tổn thất cột áp

 Khó khăn làm kín các bộ phận làm việc, chất lỏng dễ bị rò rỉ, hay bị không khíbên ngoài lọt vào làm giảm hiệu suất và tính chất ổn định của truyền động.Muốn khắc phục nhược điểm này cần có các kết cấu phức tạp và chế tạo khókhăn

 Yêu cầu chất lỏng làm việc rất phức tạp: độ nhớt phải thích hợp (để tránh rò rỉnhiều và tổn thất năng lượng) và ít thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi; hệ sốchịu nén nhỏ; ổn định và bền vững về mặt tính chất hóa học; khó bị ôxy hóa,khó cháy; ít hòa tan khí và hơi nước;.v.v

2.3 Hệ thống điều khiển thủy lực.

 Phần tử xử lý : van áp suất, van tiết lưu

 Phần tử điều khiển : van đảo chiều

 Cơ cấu chấp hành : xy lanh, động cơ dầu

Hình 2-1 Hệ thống điều khiển bằng thủy lực

2.3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực.

Hình 2-2 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực.

2.4 Cấu tạo, chức năng các thiết bị cơ bản.

2.4.1 Bơm bánh răng.

Bơm bánh răng được dùng phổ biến nhất trong các loại máy rôto vì có nhiều ưu điểm:Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, tuổi bền cao, kích thước nhỏ gọn, cókhả năng chịu quá tải trong thời gian ngắn Các ưu điểm này rất cần thiết đối với một bơm dùng trong truyền động thuỷ lực

- Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Phần

tử xử lý

Năng lượng điều khiển Cơ cấu tạo năng lượng

Dòng năng lượngtác động lên quátrình

Phần tử điều khiển

Cơ cấu chấp hành

2 a

3

4

1 6 5

B

A

Hình 2-3 Sơ đồ kết cấu bơm bánh răng.

1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Vỏ bơm; 4- Ống hút; 5- Ống đẩy; 6- Van an toàn; A- Buồng hút; B- Buồng đẩy.

Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là sự thay đổi thể tích: khi thể tích củabuồng hút (A) tăng, bơm dầu hút, thực hiện chu kỳ hút; và khi thể tích giảm, bơm đẩydầu ra buồng (B), thực hiện chu kỳ nén Nếu trên đường đi của dầu ta đặt một vật cảnthì dầu sẽ bị chặn lại tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc và độ lớn của sức cản vàkết cấu của bơm

Lưu lượng bơm bánh răng được tính theo công thức:

Xylanh lực gồm: xylanh tác dụng đơn và xy lanh tác dụng kép.

 Xy lanh tác dụng kép.

Nguyên lý làm việc:

 Chất lỏng được nén sử dụng để sinh công ở hai phía của pittong

 Xy lanh có hai cửa cấp nguồn

 Điều khiển hoạt động của xy lanh kép bằng van 2/2, 3/2, 4/2, 4/3

Hình 2-4 Xy lanh tác dụng kép

2.4.3 Các loại van.

Van là phần tử phổ biến trong truyền động thủy lực Nhờ phối hợp hợp lý các loại vantrong hệ thống truyền động thủy lực, chúng ta có thể tạo nên được chế độ làm việc ổnđịnh của truyền động theo ý muốn Ta thường sử dụng các loại van sau trong hệthống :

- Van một chiều được dùng để giữ cho chất lỏng chỉ chảy theo một chiều

- Cấu tạo của van một chiều gồm : vỏ, nắp van và lò xo giữ nắp van

Có các loại nắp van :

+ Loại bi cầu

+ Loại hình nón (côn)

+ Loại piston

Khi mở, van một chiều phải có sức cản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng (ít tổnthất năng lượng) Vì vậy lực lò xo của van phải thật nhỏ, chỉ cần đủ để ép nắp van vào

đế van và thắng được sức cản ma sát giữa piston và vỏ (nắp van loại piston)

- Loại van một chiều bi, côn : có kết cấu đơn giản, ít sức cản nhưng khó đóng khít (vìkhi đóng không có thành dẫn hướng nên dễ lệch tâm) gây nên rò rỉ chất lỏng

- Van một chiều piston: đóng khít hơn vì khi đóng có thành xilanh dẫn hướng Nhưng

vì có ma sát giữa piston và xilanh nên ứng lực lò xo giữ piston phải lớn hơn, do đó gâytổn thất thủy lực nhiều hơn Vì vậy loại van một chiều piston thường được dùng trong

hệ thống khi cần thoát một lưu lượng lớn và áp suất làm việc cao

4 5 2

1 2 3

a

b

c) 1

Hình 2-5 Các loại van một chiều.

1- Vỏ van; 2- Lò xo giữ nắp van; 3- Nắp van; 4- Đế van; 5- Piston.

b) Van đảo chiều tác động điện (Van solenoid).

Hình 2-6 Van solenoid 1,2 Cuộn dây của nam châm điện ;3,6 Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ ; 4, 5 Lò xo.

c) Van tiết lưu.

Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dầu, và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấuchấp hành trong hệ thống thủy lực.

Van tiết lưu có hai loại: tiết lưu cố định và tiết lưu thay đổi được lưu lượng

a, b,

Hình 2-7 Tiết lưu a) Tiết lưu cố định b) Tiết lưu thay đổi được lưu lượng.

Van tiết lưu có thể đặt ở đường dầu vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành:

Hình 2-8 Các cách mắc tiết lưu.

a) Tiết lưu mắc ở đường dầu vào b) Tiết lưu mắc ở đường dầu ra.

2.4.4 Thùng chứa chất lỏng.

Chức năng:

Thùng chứa chất lỏng có các chức năng chính sau:

- Cung cấp chất lỏng cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận chất lỏngchảy về)

- Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc của chất lỏng (chủ yếu do bơm dầu tạora)

- Lắng đọng các chất cặn bã trong quá trình làm việc

- Tách nước

Yêu cầu:

Thùng chứa chất lỏng trong hệ thống truyền động thủy lực cần đảm bảo đủ lượngdầu làm việc trong hệ thống, đảm bảo lọc sạch và làm nguội tốt.

Đối với các hệ thống truyền động thủy lực có một xilanh tác dụng đơn, ta thườnglàm thể tích của thùng gấp 5 ÷ 6 lần thể tích của xilanh lực Thường thể tích của thùngđược tính theo thể tích chất lỏng chứa trong hệ thống (trong động cơ thủy lực, tronglưới ống, trong bình tích năng,…), lượng dầu mất mát do rò rỉ trong quá trình làm việc.Nhiều khi để nâng cao hiệu suất và giảm tiếng ổn của bơm, người ta đặt bơm ngập vàochất lỏng trong thùng dầu Thể tích phần không khí trên mặt thoáng của thùng nên đểkhoảng 10 ÷ 15% thể tích thùng

Có hai loại thùng: kín và hở Trong điều kiện có thể nên làm thùng kín và tăng ápsuất trên mặt thoáng của chất lỏng trong thùng để nâng cao khả năng chịu tải của máy

Về cơ bản thùng chứa dầu và nguồn cung cấp năng lượng cho chất lỏng được bố trínhư trong hình sau

Thùng chứa dầu được ngăn làm hai ngăn bởi một màng lọc 5 Khi khởi độngđộng cơ 1, kéo bơm dầu làm việc, dầu được hút lên qua bộ lọc 3 cấp cho hệ thống, dầu

xả về được cho vào một ngăn khác

Dầu thuờng đổ vào thùng qua cửa 8 bố trí trên nắp bể lọc và ống xả 9 được đặtvào gần sát thùng chứa Có thể kiểm tra mức dầu trong thùng nhờ mắt dầu 7 Nhờ cácmàng lọc và bộ lọc, dầu cung cấp cho hệ thống đảm bảo được sạch Sau một thời gianlàm việc định kỳ thì bộ lọc phải được tháo ra rửa sạch hoặc thay mới

Kết cấu của thùng chứa chất lỏng:

Hình 2-9 Kết cấu thùng chứa chất lỏng.

1- Động cơ dẫn động bơm; 2- Ống đẩy; 3- Bộ lọc; 4- Ngăn hút; 5- Vách ngăn;

6- Ngăn xả; 7- Mắt dầu; 8- Nắp thúng dầu; 9- Ống xả dầu về.

2.4.5 Bộ lọc dầu.

Nhiệm vụ:Trong quá trình làm việc dầu không thể tránh khỏi bị nhiễm bẩn docác chất bẩn từ bên ngoài xâm nhập vào hoặc bo tự bản thân dầu tạo ra Những chấtbẩn ấy sẽ làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ trong các cơ cấu ép,gây trở ngại, hư hỏng trong hệ thống Vì vậy người ta lắp các bộ lọc vào trong các hệthống truyền động thủy lực để lọc các cặn bẩn của dầu, bảo đảm cho hệ thống làm việcbình thường.

Cách lắp bộ lọc trong hệ thống:

Chúng ta có thể lắp các bộ lọc vào hệ thống ở trên đường hút, đuờng nén hayđường xả Nhưng khi lắp các bộ lọc cần chú ý:

- Giảm sức cản tối thiểu của lọc đối với dòng chảy

- Nên lắp bộ lọc trên đường ống chính

2.3.6 Thiết bị đo áp suất và lưu lượng.

Thiết bị đo áp suất:

Để biết được áp suất làm việc của dòng chất lỏng trong hệ thống người ta sử dụngcác đồng hồ đo áp suất

 Đo áp suất bằng áp kế lò xo:

Nguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của áp lực chất lỏng, lò xo bị biến dạng, qua

cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo làm kim quay

và chỉ giá trị ghi trên mặt đồng hồ

Hình 2-10 Áp kế lò xo.

2.4.6 Động cơ 1 chiều:

a) Cấu tạo.

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phầnđộng

Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từtrường nó gồm có:

Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ

A

B

bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dâyquấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, cáccuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.

 Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấnkích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuậtđiện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điệnnhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đềuđược bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên cáccực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp vớinhau

 Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép của cực từ phụthường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạogiống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ nhữngbulông

 Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trongmáy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng ganglàm vỏ máy

b) Các phương pháp điều khiển.

 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máyphát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển Các thiết bị nguồnnày có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động

Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động

cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không

Nguyên lý điều khiển:

Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điệnkích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vàomạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ

 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng:

Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều,

có nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm ,Φ =

Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng [3]

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

 Điều khiển tốc độ động cơ với thuật toán PID.

Thuật toán PID số

Bộ điều khiến PID số có hàm truyền dạng liên tục như sau:

T1S+T D S)= K P+K i

S +K D S

Với : K P– hệ số tỉ lệ

T1 – thời gian tích phân

T D – thời gian đạo hàm

u(k)=G(z)e (k )= a0+a1z

−1+a2z−2

Hay: u(k)=u(k−1)+ a0e (k )+a1e (k −1)+a2e (k −2)

Thuật toán PID rời rạc hóa.

Hàm truyền liên tục của bộ điều khiển PID với tín hiệu vào là e(t) và tín hiệu ra là tiếnhiệu điều khiển R(t):

- e(t) : sai số giữa giá trị đặt và giá trị đo, tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển

- R(t): tín hiệu điều khiển

Sử dụng phương pháp rời rạc để tính vi phân và tích phân sau :

+ Khâu tích phân:

+ Khâu vi phân: e i−2 ei−1+e i−2

+ Khâu tỉ lệ:e i=w đặt−w đo tại thờiđiểm i.

 Xét bộ điều khiển chỉ có khâu tỷ lệ:

Sai số e(t) giữa các giá trị đặt và giá trị đo được tính toán, giá trị sai số này sau khi quahàm truyền sẽ quyết định giá trị của tín hiệu điều khiển R Nếu độ lợi Gain là hằng số

K, thì ta sẽ có

Hình 2-11 Bộ điều khiển chỉ có khâu tỉ lệ.

Giá trị R sẽ tỉ lệ tuyến tính với sai số e: R(t) = Kp * e(t) và Kp được gọi là hệ số độ lợi

e = errorR(t) = K*e(t)

R = drive

Hình 2-12 Các giá trị khác nhau của K P.

Như vậy với bộ điều khiển với khâu hiệu chỉnh p, đáp ứng của hệ thống sẽ luôn có sai

số xác lập

Rời rạc hóa gần đúng, ta có: R(t) = Kp * e(t) => Rn = Rn-1 +Kp * (en – en-1)

Nếu sai số giảm dần về 0, sẽ không có tín hiệu lái Motor, do đó sai số có thể khôngbao giờ về 0

 Với bộ điều khiển chỉ có khâu độ lợi Kp:

Đáp ứng của hệ thống sẽ không được như mong muốn, để cải thiện đáp ứng của hệ

ta xét bộ hiệu chỉnh với 3 thông số: khâu độ lợi, khâu tích phân và khâu vi phân

Với 3 khâu hiệu chỉnh trên chúng ta có thế điều chỉnh đáp ứng của hệ thống : giảmbớt thời gian xác lập, độ vọt lố, cũng như sai số xác lập

 Ảnh hưởng của khâu vi phân.

Hình 2-13 Ảnh hưởng của khâu vi phân

Khâu vi phân làm cho tốc độ đáp ứng thay đổi, thêm khâu này vào sẽ làm thời gianxác lập tăng, nhưng sai số xác lập vẫn không thay đổi

R(t) = Kp * ( e(t) + Td * de(t)/dt )Rời rạc hóa và tính gần đúng:

R n=R n−1+K P∗(e n−e n−1)+K D∗(e n−2en−1+e n−2)

 Ảnh hưởng của khâu tích phân:

Hình 2-14 Ảnh hưởng của khâu tích phân

Khâu hiệu chỉnh Ki làm tăng độ vọt lố, giảm thời gian xác lập và làm cho sai số xáclập dần về 0

R(t) = Kp * ( e(t) + 1 /Ti * je(t)dt + Td * de(t)/dt )

Hàm truyền bộ điều khiến PID sau khi qua phép biến đối gần đúng

Rn = Rn-1 + Kp * (en - en-i) + Ki * (en + en-i)/2 + Kd * (en – 2en-1 + en-2)

Trong đó:

- Rn : Tín hiệu điều khiển hiện tại

- Rn-1: Tín hiệu điều khiển trước đó

- en: Sai số tính được tại thời điểm n.

- en- 1 : Sai số tại thời điểm n-1

- en- 2: Sai số tại thời điểm n-2

Đây là thuật toán điều khiến PID đã được biến đối, đưa ra phương pháp tính toán gầnđúng các khâu hiệu chỉnh vi phân và tích phân Với các phương pháp này, chúng ta cóthể dễ dàng thực hiện thuật toán PID trên máy tính hoặc vi điều khiển mà không còngặp khó khăn trong việc tính toán tích phân và vi phân nữa

Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID.

Việc lựa chọn các thông số của PID có thể dựa vào phương pháp biểu đồ Bode,phương pháp quỹ đạo nghiệm số, Simulink nhưng đòi hỏi phải biết hàm truyền đốitượng

Ziegler - Nichols đề xuất nguyên tắc để xác định hệ số Kp, thời hằng Ti, thời hằng vi

phân Td dựa vào đặt tính quá độ của hệ thống điều chỉnh.

Có 2 phương pháp hiệu chỉnh và đều hướng tới đạt độ vọt lố khoảng 25%

 Phương pháp thứ nhất:

Ở phương pháp này, bằng thực nghiệm ta tìm được đáp ứng quá độ của hệ thống vớiđầu vào là bậc thang đơn vị Nếu hệ thống không chứa các khâu tích phân hay nghiệmphức liên hợp thì đường quá độ có hình dáng như hình chữ s

Hình 2-15 Đáp ứng quá độ của hệ thống với đầu vào là bậc thang đơn vị.

Ziegler - Nichols đề xuất xác định Kp, Ti, Td

Nguyên tắc hiệu chỉnh theo Ziegle - Nichols

 Phương pháp thứ 2.

Đầu tiên ta cho Ki và Kd = 0, thay đối Kp từ 0 tới giá trị giới hạn Kgh cho tới khi đầu

ra có dao động ổn định Giá trị này tương đương với chu kỳ dao động Pgh- Các thông

số được chọn như bảng sau:

Hiệu chỉnh PID theo Ziegler - Nichols

PI 0,45Kg

h

1/1,2.Pgh

0PID 0,6Kgh 0,5Pgh 0,125Pgh

Ziegler - Nichols được sử dụng rộng rãi đế hiệu chỉnh PID các hệ thống điều khiếnquá trình, khi mà quá trình động không biết trước một cách chính xác Nguyên tắc nàycũng được áp dụng với các đối tượng mà đặc tính động học của nó được biết trước.Nếu hàm truyền đạt được biết trước, đáp ứng quá độ với hàm bậc thang có thế tínhđược, hệ số khuếch đại giới hạn Kgh và chu kỳ Pgh cũng tính được Như vậy sử dụngcác giá trị này có thế tính được Kp, Ti, Td

2.4.7 MOSFET.

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường ( Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor ) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác vớiTransistor thông thường mà ta đã biết Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều

so với BJT.Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóa đóng mở Mosfet cónguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện cótrở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

a) Cấu tạo MOSFET.

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mangđiện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng để đảm bảo thời gianđóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng

 Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0 Dòng điện sẽ đi từ Sđến D

 Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0 Điện áp điều khiểnđóng là Ugs<=0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh Nđiện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0

c) Phân loại.

FET có hai loại chính là:

 FET điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối):Junction field- effect transistor - viết tắt là JFET

 FET có cực cửa cách điện: MOSFET

Chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng Mỗi loại FET lạiđược phân chia thành loại kênh N và loại kênh P

d) Ứng dụng.

FET có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sửdụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao

2.4.8 Atmega8.

a) Đặc điểm.

ATMega8 là một Vi Điều Khiển thuộc dòng Mega AVR của hãng ATMEL

- 23 ngõ vào/ra khả trình

- Được đóng gói trong 28 chân kiêu vỏ PDIP

- CPU có kiến trúc RISC, có 130 lệnh, hầu hết chúng thực hiện chỉ trong một chu

kỳ xung clock

- 32 thanh ghi đa dụng

- Tốc độ tối đa lên đến 16MIPS với thạch anh 16MHz

- Có 8KB bộ nhớ Flash lập trình ISP

- 512Bytes EEPROM và 1KB SRAM

- 2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ so sánh o 1 bộ Timer/Counter 16 bit

- Điện áp hoạt động 2,7 - 5.5V

- Tần số hoạt - 0 - 8 MHz (ATmega8L)

Hình 2-17 Sơ đồ chân Atmega8.

b) Cấu trúc các Port xuất nhập.

Hình 2-18 Cấu trúc chân của AVR.

ATMega8 có 3 Port xuất nhập: PortB (có 8 bits), Porte (7 bits), PortD (có 8 Bits).Mỗi một cổng của Vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx, PINx

3 thanh ghi này sẽ phối hợp với nhau đế điều khiến hoạt động của cổng thành lối vào

sử dụng Pull-up

Cấu trúc chân của AVR có thể phân biệt rõ chức năng (vào/ra), trạng thái (0/1) từ

đó ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR Khác với 89xx là chỉ có 2 trạng tháiduy nhất (0 1) Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp(dòng khoảng hàng chục mA) còn 89xx chỉ là vài uA

Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi:

- PORTx :giá trị tại từng chân (0 - 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx Nếuthanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giátrị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị logic lênbit 1 của thanh ghi này thì chân tương ứng của bit đó cũng có cùng mức logic Khithanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò nhưmột thanh ghi điều khiến cổng Cụ thế, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lạinếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt,cống ở trạng thái tổng trở cao

- DDRx : thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân , vào hoặc là ra

Đây là thanh ghi 8 bits (có thế đọc ghi) có chứ năng điều khiến hướng của cống (là lốivào hay lối ra) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nóđược cấu hình thành ngõ ra Ngược lại nếu của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tươngứng của nó được thiết lập thành ngõ vào

CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

3.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hệ thống.

3.1.1 Các phương pháp điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực.

Các thông số cơ bản của truyền động thủy lực có chuyển động tịnh tiến là vận tốc

và lực đẩy pit-tông của xylanh lực, còn thông số cơ bản trong truyền động thủy lực cóchuyển động quay là tốc độ quay và rôto động cơ thủy lực Từ nguyên lý của truyềnđộng thủy lực ta có thể điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành bằng cách thay đổi lưulượng dầu chảy qua nó theo hai phương pháp sau:

3.1.1.1 Phương pháp điều khiển vận tốc bằng tiết lưu.

a Sơ đồ điều chỉnh.

Trong truyền dẫn thuỷ lực, phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu được

sử dụng rất rộng rãi Khác với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thể tích, trongphương pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu bơm dầu có năng suất cố định, nên nóluôn luôn đẩy vào hệ thống truyền dẫn một lưu lượng dầu không đổi Van tiết lưu cónhiệm vụ điều tiết lưu lượng để có những vận tốc điều chỉnh khác nhau Lượng dầuthừa do bơm đẩy lên không sử dụng hết lại chảy về bể

Căn cứ vào áp lực làm việc của bơm, người ta chia thành:

- Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực làm việc của bơmkhông đổi; pb = const

- Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực làm việc của bơm thayđổi ; pb const

 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực bơm không đổi.

 Van tiết lưu đặt trên đường dầu vào xi lanh (hình3.1 a)

Dầu từ bơm 1 (với năng suất không đổi) được đẩy lên qua van tiết lưu 4, van đảo chiều

5 rồi đi tiếp vào buồng làm việc của xi lanh Dầu từ buồng kia của xi lanh qua van đảochiều 5, qua van giảm áp 3 trở về bể, van 3 sẽ tạo ra trên đường dầu về bể một áp lựcnhỏ nào đó để hệ thống làm việc được êm Khi thay đổi lượng mở của van tiết lưu 4 sẽnhận được những giá trị khác nhau của vận tốc áp lực làm việc của bơm pb = constđược xác định bằng van an toàn 2 Van 2 là van tràn nên cũng dùng để xả phần dầuthừa qua nó về bể

 Van tiết lưu đặt trên đường dầu ra (đường dầu về bể ) (hình3.1 b)

Dầu từ bơm 1, qua van đảo chiều 5 vào buồng làm việc của xi lanh Dầu từ buồng kiacủa xi lanh, qua van đảo chiều 5, theo đường ống rồi qua van tiết 4 về bể Khi thay đổilượng mở của van tiết lưu 4 sẽ làm thay đổi lưu lượng dầu chảy về bể; do đó sẽ nhận

được những giá trị khác nhau của vận tốc Van an toàn 2 dùng để giữ cho áp lực làmviệc của bơm là không đổi pb = const Đồng thời để xả phần dầu thừa về bể.

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực bơm không đổi đượcdùng rất rộng rãi vì nó đơn giản, đồng thời chỉ với một bơm làm việc với áp lực khôngđổi sẽ có thể cùng một lúc cung cấp cho một số truyền dẫn khác nhau trong hệ thống

Sơ đồ van tiết lưu đặt trên đường dầu ra (đường dầu về bể) so với sơ đồ van tiết lưu đặttrên đường dầu vào thì có nhiều ưu điểm hơn như:

- Nó cung cấp cho động cơ hoặc xi lanh lực có độ cứng vững cả hai phía (cả hai buồngđều có áp lực) Vì vậy sơ đồ này được dùng nhiều trong hệ thống truyền dẫn mà tảitrọng có thay đổi dấu (thay đổi chiều tác động)

- Nó hạn chế được lực quán tính của các động cơ dầu có chuyển động quay

- Nó có nhiều khả năng tự ổn định, chống lại tự dao động, nhất là ở những vận tốcchuyển động thấp

Hình 3-1 Sơ đồ mắc tiết lưu.

1 – Bơm; 2 – Van an toàn; 3 – Van giảm áp; 4 – Van tiết lưu; 5 – Van đảo chiều

 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu với áp lực bơm thay đổi.

Trong sơ đồ này van tiết lưu 2 đặt song song với xi lanh 3 Do đó dầu do bơm 1 đưalên sẽ chia làm hai dòng chảy song song: Một dòng đi vào xi lanh 3, còn dòng kia sẽchảy qua van tiết lưu 2 về bể Vì van tiết lưu không đặt trực tiếp trên đường nối từbơm đến xi lanh nên áp lực làm việc của bơm phụ thuộc vào tải trọng tác động lênpiston ( pb const) Như vậy công suất tiêu thụ của bơm sẽ tỷ lệ với tải trọng và sẽ tiếtkiệm được năng lượng; dầu ít bị nóng Mặt khác sơ đồ lại đơn giản Khi thay đổi lưu

điểm chủ yếu của sơ đồ này là: Độ ổn định của vận tốc và độ cứng vững của hệ thốngđều kém hơn so với các sơ đồ khác; ngoài ra vì bơm làm việc với áp lực thay đổi nên

cứ mỗi một sơ đồ truyền dẫn lại đòi hỏi phải có một bơm riêng Chính vì vậy mà sơ đồnày ít được sử dụng rộng rãi

p 1 = áp suất trong buồng làm việc, p 2 = áp suất trong buồng đối lưu.

1-Xylanh 2 – Tiết lưu 3 – Xy lanh.

Hình 3-2 Sơ đồ bố trí van tiết lưu với bơm có áp lực thay đổi.

b Xác định tổn thất vận tốc khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp tiết lưu.

 Tổn thất vận tốc khi van tiết lưu đặt trên đường dầu vào xi lanh.

Hinh 3-3 Sơ đồ tính toán điều chỉnh bằng tiết lưu ở đường dầu ra.

Từ lược đồ tính toán ta nhận thấy khi không có tải P = 0, phương trình cân bằng cáclực tác động lên piston sẽ là: p1F1 = p2F2 + Pm.s Từ đó:

p= p b−p1=p b−p2F2+P m s

F1

Trong đó:

pb, p1, p2 - tương ứng là áp suất của bơm, áp suất trong buồng làm

việc và trong buồng đối áp của xi lanh

F1 , F2 - diện tích làm việc của piston

Pm.s - thành phần lực ma sát cản trở chuyển động của piston

Khi có tải trọng P 0 áp lực trong buồng làm việc của xi lanh là p'1

f - diện tích tiết diện của khe tiết lưu mà dầu đi qua (m2)

 - trọng lượng riêng của chất lỏng (kG/m3)

 Tổn thất vận tốc khi van tiết lưu đặt trên đường dầu ra (chảy về bể).

Tương tự như trên ta có: Khi không tải P = 0

Khi không kể đến ánh hưởng của sự dò chảy trong hệ thống ta có:

- Vận tốc khi không có tải là:

Như vậy trong những điều kiện tương tự như nhau nếu ta lấy p2 = po (như trên đã nói)thì hệ số không đồng đều vận tốc v của sơ đồ điều chỉnh tốc độ với van tiết lưu đặttrên đường dầu vào cũng tương tự như khi van tiết lưu đặt trên đường dầu ra.

Tuy vậy sơ đồ điều chỉnh tốc độ với van tiết lưu đặt trên đường dầu ra vẫn có nhiều ưuđiểm hơn, như phần trên đã nói

3.1.1.2 Phương pháp điều khiển vận tốc bằng thể tích.

a Sơ đồ điều chỉnh.

Hình 3-4 Sơ đồ điều chỉnh bằng thể tích.

1- Bể dầu; 2- bơm; 3- động cơ dầu; 4- van an toàn; 5- bàn máy; 6- van giảm áp;

7- van đảo chiều; 8- piston

 Dùng các bơm có năng suất thay đổi

Dầu từ bể chứa 1 (hình a) do bơm có năng suất thay đổi 2 đẩy lên sẽ theo đường

ống vào động cơ dầu 3 Dầu từ buồng không làm việc của động cơ dầu 3 lại chảy về

bể Van an toàn 4 dùng để xác định áp lực làm việc của bơm và đề phòng khí quá tải.Khi muốn thay đổi vận tốc quay của động cơ dầu 3, ta thay đổi năng suất củabơm 2

Khi cơ cấu chấp hành có chuyển động thẳng tịnh tiến, ta sẽ dùng xi lanh lực và bố

trí theo sơ đồ nguyên tắc ở (hình b) Dầu từ bể 1 do bơm có năng suất thay đổi 2 đẩy

lên, qua van đảo chiều 7 vào buồng làm việc của xi lanh, đẩy piston 8 cùng bàn máy 5chuyển động Dầu từ buồng kia của xi lanh qua van đảo chiều 7, rồi qua van áp lực 6

về bể Van 6 có tác dụng là tạo ra ở đường dầu về bể luôn có một áp lực nhỏ từ 0,3 đến0,8 MPa; như vậy piston 8 và bàn máy sẽ chuyển động êm hơn Đồng thời van 6 luônluôn giữ lại trong hệ thống một lượng dầu cần thiết, không cho dầu về bể hết khi hệ

thống không hoạt động Như vậy sẽ tránh được hiện tượng không khí lọt vào hệ thốngkhi bơm 2 ngừng hoạt động Tốc độ của bàn máy được thay đổi nhờ thay đổi năng suấtcủa bơm 2.

b Xác định tổn thất khi điều chỉnh vận tốc bằng thể tích.

Hình 3-5 Sơ đồ mô hình hoá phương pháp điều chỉnh bơm năng suất.

Để việc tính toán được thuận lợi ta lấy một lược đồ đã được đơn giản hoá nhưhình 2.5, gọi vo và v là vận tốc của cần piston khi không có tải và khi có tải

Phương trình cân bằng lưu lượng khi không có tải (khi p = 0):

Q b=v0 F1→ v0=Q b

F1

Qb - năng suất của bơm đã được điều chỉnh ứng với giá trị vo tương ứng

F1 - diện tích của pít-tông phía không có cần đẩy

Khi có tải p  0: Qb = v F1 + Qch

Qch - là tổn thất dò chảy của hệ thống (gồm có dò chảy trong bơm, trong piston xi lanhtrong các thiết bị và ống dẫn khác nữa, v.v ) Tổn thất dò chảy tỷ lệ thuận với tảitrọng P: Do đó: v= Q b−Q ch

của piston sẽ không ổn định Trong trường hợp này phương pháp điều chỉnh bằng thểtích sẽ không đáp ứng được yêu cầu Tuy nhiên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằngthể tích lại có ưu điểm là: bơm không phải luôn luôn làm việc trong áp lực cố định; mà

áp lực làm việc của nó tỷ lệ với tải trọng Nhìn trên sơ đồ ta thấy giữa bơm và xi lanhkhông có đặt một van tiết lưu nào, nên có thể viết: pb = p1 + p

p - tổn thất áp lực trên đường ống từ bơm đến xi lanh

Do áp lực p1 trong buồng làm việc của xi lanh tỷ lệ với tải trọng P, do đó áp lực làmviệc của bơm pb cũng tỷ lệ thuận với tải trọng Vì vậy ứng với lưu lượng Qb nào đó thìcông suất tiêu thụ của bơm sẽ tỷ lệ thuận với áp lực pb của bơm, nghĩa là tỷ lệ với tảitrọng P Như vậy sẽ tiết kiệm được năng lượng Do đó phương pháp điều chỉnh tốc độbằng thể tích được dùng có hiệu quả đối với những thiết bị và máy công tác có côngsuất lớn

3.1.2 Các phương pháp ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực.

Việc giữ cho vận tốc chuyển động bộ phận chấp hành ổn định và không phụ thuộc vào

sự thay đổi của tải trọng có ý nghĩa rất lớn trong thực tế, điều này đặc biệt quan trọngtrong hệ thống thủy lực của các máy công cụ, các hệ thống cấp phôi

Phương pháp thủy lực để ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành đạt tới độ chính các caohơn phương pháp cơ khí

3.1.2.1 Ổn định vận tốc bằng phương pháp tiết lưu.

a Bộ tự điều chỉnh và ổn định tốc độ (bộ điều tốc).

Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều tốc.

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lưu được dùng rộng rãi vì nó đơn giản, rẻtiền, phù hợp với những trang thiết bị không đòi hỏi công suất lớn Tuy nhiên việc sửdụng các van tiết lưu thông thường sẽ không ổn định được vận tốc của cơ cấu chấphành khi tải trọng tăng Lưu lượng chất lỏng qua van tiết lưu phụ thuộc độ chênh áptrước và sau tiết lưu, khi tải trọng thay đổi, độ chênh áp sẽ thay đổi, vì vậy van tiết lưukhông có khả năng giữ cho lưu lượng qua nó không đổi, nghĩa là không thể ổn định

định tốc độ (bộ điều tốc) Bộ điều tốc gồm có hai van: van tiết lưu dùng để thay đổi giátrị của vận tốc và van điều chỉnh áp lực dùng để giữ cho hiệu số áp suất trước và sauvan tiết lưu là không đổi Các van này được bố trí nối tiếp hoặc song song Các bộ điềutốc thường đã được tiêu chuẩn hoá.

Áp suất cần thiết để nâng tải của xylanh sẽ là p2 bar (ở cửa ra của cụm van)trong khi bơm cung cấp áp suất p1 bar, giới hạn bởi áp suất hệ thống, tới của vào củacụm van Bơm cung cấp một lưu lượng là Qb lit/phút Nếu đặt lưu lượng cấp choxylanh là Q lit/phút bằng van tiết lưu thì một lượng dầu Q1 lit/phút sẽ quay trở lạithùng chứa dầu qua van an toàn của hệ thống Trên hình vẽ, áp suất p1 sẽ bị van giảm

áp tự động làm giảm đi (bằng cách dịch chuyển con trượt sang phải, đóng bớt cửadầu) Nếu xylanh phải nâng tải cao hơn đến p2 bar, con trượt van giảm áp sẽ tự độngchuyển dịch sang phải mở rộng cửa dầu để áp suất tăng lên đến p3

a 1 2 b

3 4

5 6 7

c d

Hình 3-7 Kết cấu bộ điều tốc.

a- đường dầu vào; b- khoang trước tiết lưu; c- khoang sau tiết lưu; d- đường dầu ra 1- Piston giảm áp; 2- Vỏ; 3- Lò xo; 4- Đĩa có lỗ;5- Núm xoay; 6- Đai ốc định vị;

7- Đệm làm kín.

b Mắc bộ điều tốc ở lối vào cơ cấu chấp hành.

Trên hình 3.8 là sơ đồ mắc bộ điều tốc ở lồi vào cơ cấu chấp hành, dầu từ bơm đượcđẩy vào khoang a của van điều áp 2, qua khe hở giữa piston và vỏ van vào khoang b,qua tiết lưu, thiết bị phân phối rồi vào khoang làm việc của xylanh lực Trong khi đómột phần chất lỏng trở về thùng chứa thông qua van an toàn do đó áp suất trước bộđiều tốc không đổi, không phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành

Ký hiệu P1, P2 là áp suất trong khoang phải và trái của xylanh lực, P3 áp suất trongkhoang a và P4 áp suất trong khoang b của van điều áp, đông thời có thể coi áp suất

trong khoang b (P4) cũng là áp suất rước tiết lưu 4 và ký hiệu áp suất sau tiết lưu là P5.Lưu lượng chất lỏng qua van tiết lưu được xác định theo công thức:

Q=µF √2 g P4−P5

γ

Trong đó: µ - hệ số lưu lượng của tiết lưu

F – diện tích lưu thông của tiết lưu

Hình 3-8 Sơ đồ mắc bộ điều tốc trên đường vào.

Khi hệ số lưu lượng và tiết diện lưu thông không đổi thì lưu lượng qua van tiết lưu phụthuộc độ chênh áp P4 – P5 trước và sau van tiết lưu Khi tải trọng tác dụng lên bộ phậncông tác thay đổi mà độ chênh áp trước và sau van tiết lưu không đổi thì chứng tỏ bộđiều áp đã hoàn thành nhiệm vụ của nó, nghĩa là giữ cho vận tốc piston trong xylanhlực không đổi Thật vậy, khi tải trọng tác dụng lên áp suất P1, P5 sẽ tăng lên làm cho ápsuất trong khoang c của van điều áp tăng lên đẩy piston van điều áp xuống phía dưới,khe hở lưu thông giữa khoang a và khoang b tăng lên, chất lỏng lừ khoang a vàokhoang b nhiều hơn, vì vậy áp suất P4 trước tiết lưu cũng tăng lên giữ cho độ chênh ápnhư cũ

xy lamh lực tăng lên Kết quả là lưu lượng rò rỉ chất lỏng trong hệ thống tăng lên vàvận tốc của piston bị giảm xuống.

Có thể làm cho vận tốc piston ổn định, hệ thống làm việc êm và nhạy hơn bằng cách

bố trí sao cho khoang đối áp của xylanh lực luôn luôn nối với đường có áp của bơm,còn khoang làm việc nối với bộ điều tốc

c Mắc bộ điều tốc ở lối ra của cơ cấu chấp hành.

Cách mắc này theo sơ đồ như hình 3.9 chất lỏng đươc bơm đẩy qua cơ cấu phân phốivào khoang làm việc của xylanh lực Từ khoang đối áp chất lỏng trở về thùng chứaqua có cấu phân phối và bộ điều tốc nhờ có sự phối hợp của van an toàn áp suất trong

khoang làm việc p1 của xylanh lực không đổi không phụ thuộc vào sự thay đổi tảitrọng tác dụng lên piston của xylanh lực Khi tải trọng P thay đổi, ví dụ khi lực P giảmxuống, áp suất p2 tăng do đó áp suất p3, p4 trong cá khoang a, b của van điều áp tăng, vìkhoang b nối với khoang c nên áp suất trong khoang c cũng tăng kết quả là piston bịđẩy lên thu hẹp khe hở lưu thông giữa khoang a và khoang b làm cho áp suất p4 giảmxuống trị số cũ Rõ ràng rằng nhờ bộ điều tốc nên độ chênh áp trước và sau van tiết lưukhông đổi, không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng P tác dụng lên piston củaxylanh lực vì vậy vận tốc của piston được ổn định.

Hình 3-9 Sơ đồ bố trí bộ điều tốc lắp tại lối ra của cơ cấu chấp hành.

Tại van giảm áp ta có: