Bài giảng hệ thống thủy lực khí nén

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN 1.1 Co sở lý thuyết truyền động thủy lực 1.1.1 Khái niệm, phân loại ưu nhược truyền động thủy lực 1.1.1.1 Khái niệm Trong năm trở lại đây, nhờ phát triển kỹ thuật luyện kim gia cơng khí nên truyền động thuỷ lực áp dụng rộng rãi ngành chế tạo máy nói chung máy xây dựng nói riêng, góp phần nâng cao tiêu kinh tế kỹ thuật máy móc thiết bị, đáp ứng phần nhu cầu tự động hóa ngày cao kỹ thuật Truyền động thuỷ lực dạng truyền động mà công suất truyền từ động đến phận công tác thông qua chất lỏng (dầu thuỷ lực) Trong q trình truyền cơng suất, hệ thống truyền động biến đổi trị số mơ mơmen (M) số vòng quay (n) cho phù hợp với yêu cầu, ngắt nối truyền động từ động đến phận công tác cho phù hợp với điều kiện làm việc Truyền động thuỷ lực sử dụng rộng rãi máy xây dựng, cơng nghiệp nói chung như: Cần trục ôtô, máy làm đất, xe nâng hàng, máy chuyên dùng Nhằm phục vụ ga đường sắt, bến cảng, kho bãi chứa hàng hố, cơng trường xây dựng, bãi khai thác vật liệu Trong máy móc cơng nghiệp như: máy gia cơng khí, tiết bị đúc ép… 1.1.1.2 Phân loại Truyền động thuỷ lực bao gồm hai kiểu: a) Truyền động thuỷ tĩnh Năng lượng truyền động dùng hình thức dầu có áp suất cao chuyển động với vận tốc nhỏ Hình 3.1 mơ tả ngun tắc truyền động thủy tĩnh muốn có chuyển động quay tịnh tiến cơng tác Theo hình vẽ bơm thủy lực lấy công suất từ động ban đầu tạo dầu có áp suất cao đẩy vào đường ống cao áp, tùy theo điều khiển van mà dầu cao áp dẫn đến xi lanh công tác chuyển động tịnh tiến động thủy lực chuyển động quay Hình 1.1 Sơ đồ nguyên tắc t Bơm t Bộ điều khiển Xi lanh thủy lự Van bảo hiểm Thùn Bầu Hình 1.2 Sơ đồ nguyên tắc truyền động thuỷ động 1.Bơm ly tâm; 2,5,7,9 Đường ống; Cơ cấu dẫn hướng; 4.Tuốc bin; 6,8 Thùng chứa chất lỏng b) Truyền động thuỷ động: Năng lượng truyền kết sử dụng động dầu, áp suất dầu dùng khơng cần cao Ví dụ: Biến mơ ly hợp máy kéo, ô tô, đầu máy xe lửa… Bơm ly tâm nhận công suất từ động ban đầu, đẩy dầu qua đường ống (2) cấu dẫn hướng (3) hướng dầu vào tuốc bin (4) Nhờ hạ áp lực đầu dịng chảy, dầu có vận tốc cao đập vào cánh tuốc bin tuốc bin có mơ men quay Truyền động thủy động có đặc tuyến mềm, ngoại lực tăng, số vòng quay giảm xuống tia dầu tăng áp lực đập vào cánh tua bin làm cho mơ men quay lại tăng lên 1.1.1.3 Ưu nhược điểm a) Ưu điểm: − Có khả truyền lực lớn xa, trọng lượng kích thước truyền nhỏ so với truyền động khác (truyền động khí, truyền động điện bỏ bớt số khâu trung gian trục truyền, hộp giảm tốc, khớp nối, dây cáp ) Độ tin cậy cao − Có khả tạo tỷ số truyền lớn (đến 2000 cao truyền động thuỷ tĩnh) − Quán tính truyền động nhỏ, cho phép mở máy đảo chiều chuyển động nhanh, thời gian chu kỳ làm việc giảm nâng cao suất máy, tính chất động lực tốt, tăng độ bền lâu máy − Truyền động êm, không gây ồn − Điều khiển nhẹ nhàng, tiện lợi, không phụ thuộc vào cơng suất truyền động, có khả tự động hố q trình điều khiển − Cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ công tác, cho khả nâng cao hiệu suất sử dụng động dẫn động − Có khả tự bơi trơn truyền sử dụng ln chất lỏng cơng tác làm chất bôi trơn, nâng cao tuổi thọ máy − Có khả tự bảo vệ máy q tải (nhờ đặt van an tồn) − Có khả bố trí cụm máy hệ thống truyền động thuỷ lực theo ý muốn, tạo hình dáng tổng thể đẹp, có độ thẩm mỹ cao (bơm thường đặt động dẫn động, động thuỷ lực đặt trực tiếp phận công tác, thành phần điều khiển đặt ca bin điều khiển) − Dễ dàng chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến ngược lại (bơm - động thuỷ lực bơm - xi lanh thuỷ lực) − Sử dụng máy tiêu chuẩn hoá, thống hoá, tiện lợi cho việc sửa chữa, thay thế, giảm thời gian giá thành sửa chữa (các cụm máy tiêu chuẩn hoá: bơm, động thuỷ lực, xi lanh thuỷ lực, van thuỷ lực, van phân phối, bầu lọc ) b) Nhược điểm − Khó làm kín phận làm việc áp suất lớn Chất lỏng công tác (dầu) dễ bị rị rỉ dễ bị bọt khí bên ngồi xâm nhập vào, từ làm giảm hiệu suất tính chất làm việc ổn định truyền động − Địi hỏi chế tạo phải đạt độ xác cao dẫn tới giá thành đắt − Dễ bị bẩn chảy dầu bụi bẩn bám vào 1.1.2 Các định luật chất lỏng 1.1.2.1 Áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng ngoại lực) tác động lên phần tử chất lỏng khơng phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa Hình 1.3 Áp suất thủy tĩnh Tại hình 3.1d, áp suất ps vị trí hình tạo thành áp suất tác dụng mặt thoáng chất lỏng áp suất tạo thành trọng lượng thân chất lỏng: pS = h × g × ρ + pL (1.1) Tại hình 3.1e, khơng gian kín, tiết diện A chịu tác dụng lực F lớn nên bỏ qua áp suất tạo nên trọng lượng chất lỏng, áp suất pF tính sau: F (1.2) p = F A Hình 1.4 Khuếch đại lực nâng khuếch đại áp suất 1.1.2.2 Phương trình dịng chảy liên tục Lưu lượng dịng chảy đường ống từ vị trí sang vị trí khơng đổi lưu lượng Q chất lỏng qua mặt cắt S ống tồn ống (điều kiện liên tục) ta có phương trình dịng chảy sau: Q = S × v = Const (1.3) Với v vận tốc chảy trung bình chất lỏng qua mặt cắt S Như lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt A mặt cắt A2 nhau, tiết diện A1≠A2 nên vận tốc dịng chảy khác Hình 1.5 Phương trình dịng chảy liên tục Nếu tiết diện hình trịn, ta viết sau: v1 × d1 × π d ×π = v2 × 4 Từ ta tính vận tốc dịng chảy vị trí 2: v = v1 × d1 d2 Trong đó: d1 d2 đường kính tiết diện 1.1.2.3 Phương trình Bernulli Hình 1.6 Phương trình Bernulli Áp suất điểm chất lỏng chảy, theo hình 1.6 ta có: p1 + ρ × g × h1 + ρ × v1 ρ × v2 = p + ρ × g × h2 + = Const 2 (1.5) Trong đó: p + ρ × g × h : áp suất thủy tĩnh ρ × v2 γ × v2 = 2 g : áp suất thủy động Với γ = ρ × g trọng lượng riêng, ρ khối lượng riêng 1.1.3 Các đại lượng truyền động thủy lực (1.4) 1.1.3.1 Áp suất Đơn vị áp suất theo hệ đo lượng SI Pascal (Pa; N/m 2) Pascal (Pa) lực có giá trị Newton (N) phân bố đều, vng góc lên bề mặt có diện tích 1m Hình 1.7 Phân biệt loại áp suất Trong thực tế, người ta dùng đơn vị bội số Pa Mega Pascal (MPa), Mpa = 10 Pa người ta dùng đơn vị bar: bar = 10 Pa; kG/cm2 = 0,981 bar Ngoài số nước (Anh, Mỹ) sử dụng đơn vị Pound per square inch, ký hiệu lbf/in2 (psi); psi = 0,006895 bar; bar = 14,5 psi Áp suất ghi tất áp kế hiệu áp suất áp suất tuyệt đối áp suất khí Áp suất ghi tất chân không kế hiệu áp áp suất khí áp suất tuyệt đối 1.1.3.2 Lực Đơn vị lực Newton (N) Newton tực tác dụng lên đối trọng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2 1.1.3.3 Công Đơn vị công Joule (J) công sinh tác động lực 1N để vật dịch chuyển quãng đường 1m 1J = 1N × m = m × kg s2 1.1.3.4 Công suất Đơn vị công suất Watt (W) 1W công suất thời gian 1s sinh lượng 1J 1W = 1N × m / s = m × kg s3 1.1.4 Tổn thất hệ thống điều khiển thủy lực Trong hệ thống thủy lực có loại tổn thất sau Tổn thất thể tích: dầu thủy lực chảy qua khe hở phần tử hệ thống áp suất lớn, vận tốc nhỏ, vận tốc nhỏ, độ nhớt nhỏ tổn thất thể tích lớn Tổn thất thể tích đáng kể cấu biến đổi lượng, bơm, động thủy lực, xilanh thủy lực sau đến đường ống dẫn dầu van Tổn thất khí: ma sát chi tiết chuyển động tương Tổn thất áp suất: giảm áp suất lực cản đường chuyển động chất lỏng từ bơm đến cấu chấp hành Tổn thất phụ thuộc vòa nhiều yếu tố khác nhau: − Chiều dài ống dẫn − Độ nhẵn thành ống − Độ lớn tiết diện ống dẫn − Tốc độ dòng chảy − Sự thay đổi tiết diện ống dẫn − Trọng lượng riêng độ nhớt dầu Nếu áp suất vào hệ thống p áp suất p1, tổn thất áp suất biểu thị bằng: ∆p = p − p1 (1.6) Tổn thất áp suất hệ thống thủy lực Hình 1.8 Tổn thất áp suất hệ thống thủy lực 1.1.5 Tính chất yêu cầu truyền động thủy lực 1.1.5.1 Tính chất dầu truyền động thủy lực a) Độ nhớt Độ nhớt tính chất quan trọng chất lỏng độ nhớt xác định ma sát thân chất lỏng thể khả chống biến dạng trượt biến dạng cắt chất lỏng có hai loại độ nhớt: Độ nhớt động lực: độ nhớt động lực η lực ma sát tính N tác động đơn vị diện tích bề mặt 1m hai lớp phẳng song song với dòng chảy chất lỏng, cách 1m có vận tốc 1m/s độ nhớt động lực tính Pa.s (N.s/m2) Ngồi ra, người ta cịn dùng đơn vị Poiseuille (Poa-zơ), viết tắt P, 1P=0,1 N.s/m2 Độ nhớt động học: tỷ số độ nhớt động lực với khối lượng riêng chất lỏng: η (1.7) ν= ρ Độ nhớt động học có đơn vị m /s Ngồi ra, người ta cịn dùng đơn vị Stoke (Stốc) cSt (cen-ti-s-tốc): St = cm2/s = 10-4 m2/s; cSt = 10-2 St = 10 mm2/s b) Sự phụ thuộc độ nhớt vào nhiệt độ Nhiệt độ tăng độ nhớt giảm, thể đồ thị sau: Hình 1.9 Sự phụ thuộc độ nhớt động vào nhiệt độ loại dầu thủy lực thường dùng 1.1.5.2 Yêu cầu dầu thủy lực Dầu thủy lực phải đảm bảo yêu cầu sau: − Có khả bôi trơn tốt khoảng thay đổi lớn nhiệt độ áp suất − Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ − Có tính trung hịa (trơ) với bề mặt kim loại, hạn chế khả xâm nhập khí, dể dàng tách khí ra; − Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện kín khít khe hở chi tiết di trượt, nhẳm đảm bảo độ rò rỉ dầu bé ma sát nhất; − Dầu cần phải sủi bọt, bốc làm việc, hịa tan nước khơng khí, dẫn nhiệt tốt 1.2 Cơ sở lý thuyết truyền động khí nén 1.2.1 Khái niệm, ưu nhược điểm khả ứng dụng 1.2.1.1 Khái niệm Hệ thống truyền động khí nén sử dụng lĩnh vực mà nguy hiểm hay xảy vụ nổ, thiết bị phun sơn, loại đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo; sử dụng cho lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, điều kiện vệ sinh mơi trường tốt an toàn cao Ngoài hệ thống điều khiển khí nén sử dụng dây chuyển rửa tự động, thiết bị vận chuyển kiểm tra thiết bị nồi hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói bao bì cơng nghiệp hóa chất… 1.2.1.2 Ưu nhược điểm a) Ưu điểm: − Khả chị nén (đàn hồi) lớn khơng khí nên trích chứa cách thuận lợi có khả ứng dụng để tạo nên trạm trích chứa khí nén − Có khả truyền tải lượng xa, độ nhớt động học nhỏ tổn thất áp suất đường dẫn − Khí nén sau sử dụng xong xả trực tiếp ngồi mơi trường − Chi phí để thiết lập hệ thống truyền động khí nén nhỏ, − Dể dàng bố trí thiết bị an tồn phịng ngừa q áp b) Nhược điểm − Lực truyền tải thấp − Khi tải trọng hệ thống thay đổi vận tốc thay đổi, khả đàn hồi khí nén lớn nên thực chuyển động thẳng quay − Dịng khí nén ngồi môi trường thường gây ồn 1.2.1.3 Khả ứng dụng truyền động khí nén • Trong lĩnh vực điều khiển Hệ thống điều khiển khí nén sử dụng lĩnh vực mà dể xảy cháy nổ, thiết bị phun sơn, loại gá kẹp chi tiết chất dẻo, môi trường có chất dể gây cháy, lĩnh vực sản xuất điện tử… điều kiện vệ sinh mơi trường tốt an toàn cao Ngoài ra, hệ thống điều khiển khí nén sử dụng dây chuyền rửa tự động, tiết bị vận chuyển kiểm tra lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói cơng nghiệp hóa chất… • Trong hệ thống truyền động Thiết bị máy va đập: lĩnh vực khai thác mỏ, cơng trình xây dựng… Truyền động quay: truyền động động quay thiết bị vặn bu lơng, đai ốc, máy khoan có cơng suất khoảng 3,5kW; máy mài công suất khoảng 2,5kW, máy mài có cơng suất nhỏ số vịng quay cao đến 100.000rpm khả sử dụng động truyền động khí nén phù hợp Truyền động thẳng: vận dụng truyền động khí nén cho truyền động thẳng dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, thiết bị đóng gói, máy gia công, hệ thống phanh hãm ô tô hay đóng mở cửa… 1.2.2 Cơ sở tính tốn truyền động khí nén 1.2.2.1 Thành phần khí nén Mơi chất truyền động khí nén khơng khí khí hút vào máy nén khí Sau khí nén đưa vào hệ thống khơng khí loại khí hỗn hợp, bao gồm thành phần sau: N2 O2 Ar CO2 H2 Khác Thể tích % 78,08 20,85 0,93 0,03 0,01 0,1 Khối lượng % 75,51 23,01 1,286 0,04 0,001 0,153 Ngồi thành phần trên, khơng khí cịn có nước, bụi… Chính thành phần gây ăn mòn, rỉ rét cho thiết bị khí nén Vì vậy, cần phải có biện pháp hay thiết bị để loại trừ giới hạn đến mức thấp thành phần hệ thống khí nén 1.2.2.2 Những đại lượng khơng khí: STT Đại lượng vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi 1,293 Kg/m3 T=2730K; Pa=1,013bar Khối lượng riêng ρn Hằng số khí R 287 J/kg.K ws 331,2 m/s Ở nhiệt độ : 00C Tốc độ âm 344 200C cp 1,004 kJ/kg.K Áp suất số Nhiệt lượng riêng 0,717 Thể tích số cv Số mũ đoạn nhiệt k 1,4 1.2.2.3 Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết khí nén hệ thống gần khí lí tưởng phương trình trạng thái nhiệt nhiệt tổng qt khí nén (1.8) p abs × V = m × R × T Trong đó: Pabs: áp suất tuyệt đối (bar) V: Thể tích khí nén (m3) M: khối lượng khơng khí (kg) R: Hằng số khí (J/kg.K) T: nhiệt độ Kelvin (K) a) Định luật Boyle – Mariotte Khi nhiệt độ không thay đổi (T = số) theo phương trình 1.1 ta có: (1.9) p abs × V = const Nếu gọi: Hình 1.10 Sự phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ khơng thay đổi V1(m3) thể tích khí nén thời điểm có áp suất tuyệt đối p1 abs V2 (m3) thể tích khí nén thời điểm có áp suất tuyệt đối p2 abs Từ phương trình 1.2 ta viết sau: p V1 = abs V2 p1abs (1.10) Sự phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ khơng thay đổi đường cong parabol Năng lượng nén giãn nở khơng khí tính theo cơng thức (1.11) p W = p1 × V1 × ln p2 b) Định luật Gay – Lussac Khi áp suất không thay đổi (p = const) theo phương trình 1.1 ta có: V1 T1 (1.12) V2 = T2 T1 (K) nhiệt độ thời điểm khí tích V1 T2 (K) nhiệt độ thời điểm khí tích V2 Năng lượng nén giãn nở khơng khí tính theo cơng thức W = p (V2 − V1 ) (1.13) Hình 1.11 Sự thay đổi thể tích áp suất Hình 1.12 Sự thay đổi áp suất thể số tích số c) Định luật Gay – Lussac Khi thể tích khơng đổi, phương trình 1.1 viết lại sau: (1.14) p T1 = 1abs T2 p abs Vì thể tích V khơng thay đổi nên lượng nén giãn nỡ 0: W = d) Phương trình trạng thái nhiệt ba đại lượng áp suất, nhiệt độ thể tích thay đổi Theo phương trình 1.1 ta biến đổi sau: (1.15) p abs × V = m × R = const T Hay (1.16) p1abs × V1 p × V2 = abs T1 T2 Khối lượng khơng khí m tính theo cơng thức: m = V × ρ (kg ) nên (1.17) m2 ρ Từ phương trình 1.8 ta thiết lập mối quan hệ áp suất khối lượng riêng ρ nhiệt độ T không thay đổi sau: (1.18) p ρ = ρ1 × abs p1abs Sự phụ thuộc khối lượng riêng ρ vào nhiệt độ áp suất không thay đổi: (1.19) T ρ = ρ1 × T2 Sự phụ thuộc vào khối lượng riêng ρ ba đại lượng áp suất, nhiệt độ thể tích thay đổi (1.20) T × p abs ρ = ρ1 × T2 × p1abs e) Phương trình đoạn nhiệt Trạng thái đoạn nhiệt trạng thái mà trình nén hay giãn nở khơng có nhiệt đưa vào hay lấy Thể tích riêng khơng khí xác định sau: V = 10 4.2.1.2 Xilanh tác dụng hai chiều Nguyên lý hoạt động xilanh tác động hai chiều (tác động kép) áp suất nén dẫn vào hai phía piston xilanh Có hai loại xilanh tác động hai chiều: • Xilanh tác động hai chiều khơng có giảm chấn Hình 4.14: Kết cấu ký hiệu xilanh tác động hai chiều khơng giảm chấn • Xilanh tác động hai chiều có giảm chấn Nhiệm vụ giảm chấn ngăn cản va dập piston vào thành xilanh vị trí cuối hành trình Ngun lý hoạt động xilanh sử dụng van tiết lưu chiều để thực nhiệm vụ giảm chấn Hình 4.15: Kết cấu ký hiệu xilanh tác dụng hai chiều có giảm chấn có giảm chấn cuối khoảng chạy • Xilanh va đập Hình 4.16: Cấu tạo nguyên lý hoạt động xilanh va đập Xilanh chia làm buồng A B Ngăn buồng có lỗ tiết lưu cho khí nén ngồi Ở trạng thái bình thường (gia đoạn 1), buồng B thơng với áp suất P1 Khi có tín hiệu X 4.2.2 Động khí nén 51 Động khí nén cấu chấp hành, có nhiệm vụ biến đổi lượng hay động khí nén thành lượng học – chuyển động quay Động khí nén có ưu điểm sau: − Điều chỉnh đơn giản momen quay số vòng quay − Đạt số vòng quay cao điều chỉnh vơ cấp − Khơng xảy hư hỏng, có tải − Giá thành bảo dưỡng thấp Tuy nhiên động khí nén có nhược điểm sau: − Giá thành lượng cao (khoảng 10 lần cao so với động điện) − Số vòng quay phụ thuộc nhiều vào tải trọng thay đổi − Xảy tiếng ồn lớn xả khí Hình 4.17: Ký hiệu động khí nén a Động quay chiều b Động quay hai chiều 4.2.2.1 Động bánh Theo thiết kế, động bánh phân thành ba loại: động bánh răng thẳng, nghiêng chữ V Động bánh thường có cơng suất 59kW với áp suất làm việc 6bar momen quay đạt đến 540Nm Động bánh răng thẳng: momen quay tạo áp suất khí nén lên mặt bên Ống thải khí thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng ồn; Động bánh răng nghiêng: nguyên lý hoạt động bánh răng thẳng, điểm ý ổ lăn phải chọn để khắc phục lực hướng trục; Động bánh răng chữ V: có ưu điểm giảm tiếng ồn lực chiều trục Hình 4.18: Động bánh 4.2.2.2 Động trục vít Hai trục quay động trục vít có biên dạng lồi lõm Số trục khác Hình 4.19: Động trục vít 4.2.2.3 Động cánh gạt 52 Nguyên lý động cánh gạt: khí nén dẫn vào cửa 1, qua rãnh vòng vào lỗ dẫn khí nén Dưới tác dụng áp suất lên cánh gạt, rotor quay, khí nén xả ngồi lỗ Hình 4.20: Ngun lý hoạt động động cánh gạt Để chuẩn bị cho động khởi động, cánh gạt áp sát vào thành rotor Một số hãng sản xuất chế tạo lỗ dẫn khí nén vào mặt bích động 4.2.2.4 Động piston hướng kính Động piston hướng kính có cơng suất từ 1,5 đến 11kW Nguyên lý hoạt động sau: áp suất khí nén tác động lên piston 2, qua truyền làm cho trục khuỷu quay Để cho trục quay không bị va đập tải trọng lúc quay, thường bố trí nhiều xilanh Van điều khiển có nhiệm vụ phân phối khí nén đến xilanh cách hợp lý theo vị trí trục khuỷu Hình 4.21: Động piston hướng kính Xilanh Piston Thanh truyền Van điều khiển Kênh dẫn xilanh 4.2.2.5 Động turbine Nguyên lý hoạt động động turbine biến đổi động dịng khí nén qua vịi phun thành lượng học (chuyển động quay), động đạt số vòng quay cao (10.000rpm) Động turbine phân chia theo hướng dịng khí nén vào turbine thành loại sau: dọc trục, hướng trục, tiếp tuyến tự 4.3 Các phần tử hệ thống điều khiển điều khiển 4.3.1 Van đảo chiều Tương tự hệ thống truyền động thủy lực, van đảo chiều hệ thống truyền động khí nén có nhiệm vụ phân chia dịng khí tới đường ống khác nhau, từ khí nén đưa đến phận công tác hay cấu chấp hành tạo nên dạng chuyển động theo ý muốn người điều khiển Nguyên lý hoạt động van đảo chiều: chưa có tín hiệu tác động vào cửa 12, cửa bị chặn cửa nối thơng với cửa Khi có tín hiệu tác động vào cửa 12, ví dụ: tác động khí nén, nịng van dịch chuyển phía bên phải, cửa nối thông với cửa cửa bị chặn Trường hợp tín hiệu vào cửa 12 đi, tác 53 động lò xo, nòng van trở vị trí ban đầu Hình 4.22: Ngun lý hoạt động van đảo chiều 4.3.1.1 Ký hiệu van đảo chiều Sự chuyển đổi vị trí van biểu diễn ô vuông liền với chữ o, a, b, c… hay số 0, 1, 2, … Vị trí “khơng” ký hiệu vị trí mà van chưa có tác động tín hiệu ngồi vào Đối với van vị trí, vị trí “khơng” đặt giữa, ký hiệu là”o” van có vị trí, vị trí “khơng” “a” “b’, thơng thường vị trí bên phải “b” vị trí “khơng” Các cửa nối van đảo chiều ký hiệu sau: Ký hiệu theo ISO 5599 Ký hiệu theo ISO 1219 Cửa nối với nguồn khí nén P Cửa nối làm việc 2,4,6… A,B,C… Cửa xả khí 3,5,7… R,S,T… Cửa nối tín hiệu điều khiển 12,14… X,Y… Bên ô vuông vị trí đường thẳng có hình mũi tên, biểu diễn hướng chuyển động dịng khí qua van Trường hợp dòng bị chặn biểu diễn dấu gạch ngang Hình 4.23: Ký hiệu cửa nối với van đảo chiều Ký hiệu tên gọi van đảo chiều: Hình 4.24: Ký hiệu tên gọi van đảo chiều Tín hiệu tác động vào van tay (nút bấm, tay gạt, bàn đạp), (đầu dò, cữ chặn co lăn, lò xo nút có định vị), khí nén nam châm điện 54 4.3.1.2 Van đảo chiều có vị trí “khơng” Hình 4.25: Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều có vị trí “khơng” loại van có tác động – lò xo lên nòng van ký hiệu lị xo nằm vị trí bên cạnh ô vuông bên phải ký hiệu van Tác động lên phía đối diện nịng van (ơ vng bên trái ký hiệu van) tín hiệu tác động vào van (cơ, khí nén, hay điện) chừng chưa có tác động lên phía trái nịng van, cửa nối van lúc lắp ráp mạch khí nén tương ứng với vị trí vng nằm phía bên phải (loại vị trí) loại van có vị trí vng năm Van đảo chiều 2/2 (tác động học – đầu dị): Van có cửa P R, vị trí Tại vị trí 0, P R bị chặn Nếu đầu dò tác động vào, van chuyển sang vị trí 1, P R nối thơng với Khi đầu dị khơng cịn tác động nữa, van quay vị trí ban đầu Van đảo chiều 3/2 tác động học – đầu dò: van có cửa P, A R, có vị trí Tại vị trí 0, cửa P bị chắn, cửa A nối với cửa R Nếu đầu dị tác động vào, từ vị trí van chuyển đổi sang vị trí 1, cửa P A nối thông với nhau, cửa R bị chặn lại đầu đị khơng tác động nữa, van quay trở vị trí ban đầu lực nén lò xo Tác động học – đầu đò Tác động nam châm điện qua van phụ trợ Hình 4.26: Van đảo chiều 3/2 Van đảo chiều 3/2 tác động nam châm điện qua van phụ trợ: vị trí cửa P bị chặn, cửa A nối với R dòng điện vào cuộn dây nam châm điện, piston trụ bị kéo lên, khí nén theo phướng P 1, 12 tác động lên piston phụ, đẩy piston phụ 55 xuống, van chuyển sang vị trí 1, lúc cửa P nối với cửa A cửa R bị chặn dòng điện đi, piston trụ bị lò xo đẩy xuống khí nén phần piston phụ theo cửa Z ngồi 4.3.1.3 Van đảo chiều khơng có vị trí “0” Van đảo chiều khơng có vị trí khơng van loại van, sau tín hiệu tác động lần cuối lên van khơng cịn nữa, van ngun vị trí đó, chừng chưa có tín hiệu tác động lên phía đối diện nịng van Vị trí tác động ký hiệu a,b,c… Tác động lên nịng van học, khí nén, hay điện Một số loại van đảo chiều khơng có vị trí “0” Van trượt đảo chiều 3/2 tác động tay Hình 4.27: Van trượt đảo chiều 3/2 Khi dịch chuyển ống lót sang vị trí a, cửa P nối với cửa A cửa R bị chặn lại dịch chuyển ống lót sang vị trí b, cửa A nối với R cửa P bị chặn Van xoay đảo chiều 4/3 tác động tay: Hình 4.28: Van xoay đảo chiều 4/3 Nếu vị trí xoay nằm vị trí a, cửa P nối với cửa A cửa B nối với R Vị trí van xoay nằm vị trí b, cửa A,B,P,R bị chặn Vị trí van xoay nằm c, cửa P nối với B cửa A nối với cửa R Van đảo chiều xung 4/2 tác động khí nén điều khiển từ hai phía nịng van Hai phía nịng van khoan lỗ đường kính φ1mm thơng với cửa P Khi có áp suất cửa P, dịng khí nén điều khiển vào phía đối diện nịng van qua lỗ nịng van vị trí cân cửa X xả khí, nịng van dịch chuyển sang vị trí b, cửa P nối với cửa A cửa B nối với cửa R cửa X ngừng xả khí, vị trí nịng van nằm vị trí b, chừng chưa có tín hiệu xả khí cửa nối Y 56 Hình 4.29: Van trượt đảo chiều 4/2 (tác động khí ra) Van đảo chiều xung 4/2 tác động khí nén điều khiển đi vào từ hai phía nịng van Hình 4.30: Van trượt đảo chiều 4/2 (tác động khí vào) Khi có tác động tín hiệu xung X, nịng van dịch chuyển sang vị trí b, cửa P nối với cửa A cửa B nối với R tín hiệu xung X đi, vị trí van b, chừng chưa có tác động tín hiệu xung Y 4.3.2 Van áp suất 4.3.2.1 Van an toàn Van an toàn tác dụng trực tiếp làm việc với nguyên lý cân lực tạo áp suất khí nén lực đàn hồi lị xo giữ đế van Để làm kín tránh rỏ rỉ áp suất, đế van đĩa van (loại van đĩa) màng áp suất (loại màng) có siêu (seal) cao su làm kín (a) (b) Hình 4.31: Van an tồn tác dụng trực tiếp (a) Van áp suất loại đĩa; (b) Van áp suất loại màng Ở trang thái đóng lực ép lò xo lớn áp lực khí nén tác động lên đĩa van (màng van) nên đĩa van đóng chặt vào đế van Nhưng khí áp suất tăng lên, vượt qua giới hạn đặt trước lị xo áp lực khí nén thắng lực đàn hồi lò xo, nâng đĩa van lên khỏi đế nên khí nén ngồi, áp suất đường ống 57 giảm xuống, đến áp suất giảm xuống thấp giá trị định trước lực căng lị xo van đóng lại Van an toàn điều khiển gián tiếp bao gồm hai cụm van: cụm van a cụm van điều khiển B Trong cụm van có lỗ khí nhỏ để dẫn khí từ khoang A đến khoang B Khí nén vào van, qua tác động vào màng A, qua lỗ khí nhỏ đến tác động vào màng B lúc áp suất phía phía màng A nhau, với lực đàn hồi lị xo phía màng A, đĩa van màng A đóng chặt vào đế van Lúc này, khí nén tác dụng vào màng B chưa thắng lực đàn hồi lị xo nên cửa thơng với bên ngồi phía màng B đóng kín Khi áp suất đường ống tăng lên, áp suất phía khoang B thắng lực đàn hồi lị xo (được thiết lập vít điều chỉnh E) nên đẩy màng B xuống, khí nén phía màng B xả Hình 4.32: Van an tồn điều khiển gián tiếp ngồi làm áp suất phía màng B với phía màng A giảm xuống tạo chênh lệch áp suất, đẩy màng A xuống khí nén đường ống xả qua cửa D áp suất giảm xuống ngang với áp suất định trước Lò xo màng B đóng cửa van lại điều làm cho áp suất phía màng B lại tăng lên đẩy màng A lên đóng cửa van lại tránh áp suất ngồi 4.3.2.2 Van giảm áp 58 Hình 4.33: Van giảm áp tác động trực tiếp Van giảm áp có tác dụng giới hạn áp suất đến thiết bị công tác, thiết bị công tác cần áp áp suất nhỏ áp suất nguồn cung cấp khí nén Thơng thường khí nén lưu thơng qua van vị trí đĩa van đế Lúc áp suất đường không đủ nên áp lực tác dụng vào màng không thắng lực đàn hồi lò xo, nên lò xo đẩy màng xuống tác động vào đĩa van để mở thơng cửa khí nén đến phận công tác Khi áp suất đầu lớn áp suất phía màng tăng lên, thắng lực đàn hồi lò xo, đẩy màng lên, dẫn động khơng cịn tác động lên đĩa van nên đĩa van đóng lại áp suất đầu điều chỉnh cách điều chỉnh độ căng lò xo 4.3.3 Van tiết lưu Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dịng khí nén, tức điều chỉnh vận tốc thời gian chạy cấu chấp hành Ngồi van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh thời gian chuyển đổi vị trí van đảo chiều Nguyên lý làm việc van tiết lưu lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào thay đổi tiết diện 4.3.3.1 Van tiết lưu có tiết diện thay đổi Hình 4.34: Van tiết lưu có tiết diện thay đổi Lưu lượng điều chỉnh hai chiều cách xoay vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện khe hở Ax 59 Van tiết lưu lắp trực tiếp lênh cửa S R van đảo chiều, để điều chỉnh vận tốc đường cấu chấp hành, ví dụ vận tốc piston Khí nén xả trực tiếp khơng khí khí nén xả qua phận giảm chấn lắp vào mối nối ren Hình 4.35: Van tiết lưu a) Khơng có mối nối ren; b) Có mối nối ren 4.3.3.2 Van tiết lưu chiều điều chỉnh tay Khi dịng khí nén từ A sang B, lị xo đẩy màng xuống đóng cửa lỗ màng đế, dịng khí nén qua khe hở A x màng chắn chốt van Khi dịng khí nén từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lị xo đẩy màng chắn lên dịng khí nén qua cửa thân van (giữa màng chắn mặt tựa màng chắn), lưu lượng khơng điều chỉnh Hình 4.36: Van tiết lưu chiều 4.3.3.3 Van áp suất điều chỉnh cữ chặn Vận tốc xilanh trình chuyển động với hành trình khác vận tốc tương ứng khác nhau, trường hợp hệ thống chọn lắp van tiết lưu chiều điều chỉnh cữ chặn Nguyên lý hoạt động van tiết lưu chiều điều chỉnh cữ chặn tương ứng với van tiết lưu điều chỉnh tay cữ chặn tác dụng lực dịch chuyển xuống khe hở A x điều chỉnh (chiều từ A sang B) Chiều từ B sang A van tiết lưu khơng có tác dụng Hình 4.37: Van tiết lưu chiều điều chỉnh cữ chặn 60 4.3.4 Van chặn Van chặn loại van cho khí nén theo chiều, chiều ngược lại bị chặn Áp suất dòng chảy tác động lên phận chặn van van đóng lại Van chặn gồm có loại sau: 4.3.4.1 Van chiều Van chiều có tác dụng cho lưu lượng khí nén qua chiều, chiều ngược lại bị chặn từ hình vẽ cấu tạo, nguyên lý làm việc sau: dịng khí nén từ A sang B van bị đẩy khỏi đế, cịn chiều từ B qua A dịng khí nén bị chặn lại Hình 4.38: Van chiều 4.3.4.2 Van logic OR có dịng khí nén qua cửa P1 đẩy piston trụ van sang vị trí bên phải, chắn cửa P2, cửa P1 nối với cửa A Hoặc có dịng khí nén qua cửa P 2, đẩy piston trụ van sang vị trí bên trái, chắn cửa P cửa P2 nối với cửa A Như van logic OR có chức nhận tín hiệu điều khiển vị trí khác hệ thống điều khiển Hình 4.39: Van logic OR 4.3.4.3 Van logic AND có dịng khí nén qua cửa P 1, đẩy piston trụ van sang vị trí bên phải, cửa P1 bị chặn Hoặc có dịng khí nén qua cửa P 2, đẩy piston trụ van sang vị trí bên trái, cửa P2 bị chặn Nếu dịng khí nén đồng thời qua cửa P P2, cửa A nhận tín hiệu, tức khí nén qua A van logic AND có chức nhận tín hiệu điều khiển lúc vị trí khác hệ thống điều khiển Hình 4.40: Van logic AND 4.3.4.4 Van xả nhanh Khi có dịng khí nén qua cửa P1, đẩy piston trụ sang phải, chắn cửa R, cửa P nối với cửa A Trường hợp ngược lại, có dịng khí nén từ A, đẩy piston trụ sang trái, chắn cửa P cửa A nối với cửa R Van xả khí nhanh thường lắp vị trí gần cấu chấp hành có nhiệm vụ xả khí nhanh ngồi 61 Hình 2.1: Van xả nhanh 62 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ ỨNG DỤNG 5.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén 5.1.1 Khái niệm Điều khiển hiểu là: q trình hệ thống, tác dụng hay nhiều đại lượng vào, đại lượng thay đổi theo quy luật định hệ thống Đặc trưng cho q trình điều khiển mạch hở (hệ thống điều khiển hở) cấu trúc hệ thống điều khiển hở biểu diễn hình 5.1 Hình 5.1: Hệ thống điều khiển hở Hình 5.2: Mạch điều khiển xilanh Các phần tử hệ thống điều khiển biểu diễn hình chữ nhật, tín hiệu vào ký hiệu xe, tín hiệu ký hiệu xa Ví dụ: mạch điều khiển đơn giản xilanh Dưới tác động đại lượng vào x e1 (nút bấm van đảo chiều 3/2), đại lượng x a1 (khí nén) đến tác động vào van đảo chiều, đại lượng x a1 coi đại lượng vào x e2 phần tử van đảo chiều 3/2 làm thay đổi vị trí van đảo chiều Tiếp tục tín hiệu van đảo chiều thứ xa2 tín hiệu vào xe3 tác động vào xilanh Quá trình xilanh tín hiệu xa3 Một hệ thống điều khiển bao gồm: Hình 5.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển − Đối tượng điều khiển: loại máy móc, thiết bị kỹ thuật; − Thiết bị điều khiển (mạch điều khiển): phần tử đưa tín hiệu, phẩn tử xử lý điều khiển, cấu chấp hành; 63 Hình 5.4: Các phần tử mạch điều khiển − Tín hiệu điều khiển: đại lượng xa thiết bị điều khiển đại lượng vào x e đối tượng điều khiển − Tín hiệu nhiễu: đại lượng tác động từ bên vào hệ thống gây ảnh hưởng xấu lên hệ thống 5.1.2 Phần tử mạch logic Các phần tử mạch ký hiệu theo tiêu chuẩn (DIN 40 100), thể sau: Ký hiệu Tên gọi NOT AND NAND OR NOR XOR (EXC-OR) 5.1.2.1 Phần tử logic NOT (Phủ định) Phần tử logic NOT (Phủ định) minh họa hình 5.5 Khi nhấn nút b 1, rơ le c có điện, bóng đèn h điện nhả nút b1 bóng đèn h sáng Hình 5.5: Phần tử Logic NOT (phủ định) 5.1.2.2 Phần tử logic AND (và) Phần tử logic AND (và) minh họa hình 5.6 Khi nhấn nút b1 đồng thời nhấn nút b2, rơ le c có điện, bóng đèn h sáng Hình 5.6: Phần tử logic AND 5.1.2.3 Phần tử logic NAND (và – không) Phần tử logic NAND (và) minh họa hình 5.7 Khi nhấn nút b đồng thời nhấn nút b2, rơ le c có điện, bóng đèn h tắt 64 Hình 5.7: Phần tử logic NAND 5.1.2.4 Phần tử logic AND – NAND Phần tử logic AND-NAND có tín hiệu h h2 Từ sơ đồ mạch cho thấy rẳng với liên hệ cứng c1 c2 tín hiệu h1 h2 khơng đồng thời Hình 5.8: Phần tử logic AND-NAND 5.1.2.5 Phần tử logic OR Đèn h sáng, nhấn nút b1 b2, tức cần hai nút b1 b2 đèn h sáng, đèn h tắt b1 b2 tắt Hình 5.9: Phần tử logic OR 5.1.2.6 Phần tử logic NOR (hoặc – không) Khi nhấn hai nút b1 b2 đèn h tắt Đèn h sáng khơng có tín hiệu Hình 5.10: Phần tử logic NOR 5.1.2.7 Phần từ logic OR/NOR Phần tử lotic OR/NOR với tín hiệu vào b 1, b2 tín hiệu h1 h2 H1 h2 không sáng đồng thời, h1 sáng cần nhấn b1 b2 h2 tắt 65 ... sở tính tốn truyền động khí nén 1.2.2.1 Thành phần khí nén Mơi chất truyền động khí nén khơng khí khí hút vào máy nén khí Sau khí nén đưa vào hệ thống khơng khí loại khí hỗn hợp, bao gồm thành... 2.9 3.2.2 Ví dụ thiết kế hệ thống thủy lực Thiết kế hệ thống thủy lực với số liệu sơ đồ mạch thủy lực sau: Hình 3.9: Sơ đồ mạch thủy lực lực tác dụng vào xilanh thủy lực − − − − − Tải trọng:... TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC 2.1 Bơm thủy lực Bơm động thủy lực hai thiết bị có chức khác Bơm phần tử tạo lượng thủy lực, động thiết bị tiêu thụ lượng Về kết cấu bơm động thủy lực tương tự Bơm thủy lực