Bài giảng truyền động thủy lực và khí nén

Tài liệu tham khảo về thực tập môn học truyền động thuỷ lực và khí nén.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ

BAØI GIẠNG

Biên soạn: Trần Trung Tính Ngô Quang Hiếu

Lưu hành nội bộ

MỤC LỤC

Mục lục - 1

Tài liệu tham khảo - 3

PHẦN A: TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Chương 1 : Đại Cương Về Truyền Động Thủy Lực - 4

1.1 : Nguyên lý truyền dẫn thủy lực - 4

1.2 : Ví dụ về truyền dẫn thủy lực - 4

1.3 : Các loại truyền động - 5

1.4 : Các đặc trưng của hệ thống thủy lực - 6

1.5 : Các tổn thất trong hệ thống thủy lực - 7

1.6 : Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực - 10

1.7 : Các đặc điểm của truyền động thủy lực - 11

1.8 : Đơn vị đo các đại lượng cơ bản - 12

2.6 : Các loại bơm trong hệ thống thủy lực - 15

2.7 : Các mạch bơm cơ bản - 21

Chương 3 : Cơ Cấu Tác Động - 23

3.1 : Phân loại xy lanh - 23

3.2 : Cấu tạo xy lanh - 24

3.3 : Công thức tính toán xy lanh - 25

3.4 : Điều kiện làm việc của xy lanh - 27

3.5 : Phương pháp cố định xy lanh - 27

3.6 : Tính toán và kiểm tra bền cần piston - 28

3.7 : Động cơ dầu bán quay - 30

3.8 : Động cơ dầu ép - 30

Chương 4 : Van Thủy Lực - 32

4.1 : Van điều khiển áp suất - 32

4.2 : Van điều khiển lưu lượng - 35

4.3 : Van điều khiển hướng - 37

Chương 5 : Các Thiết Bị Phụ - 40

5.1 : Thùng dầu - 40

5.2 : Thiết bị làm mát - 40

5.3 : Bộ lọc dầu - 40

5.4 : Ôïng dẫn, đầu nối - 42

5.5 : Ắc quy thủy lực - 43

Chương 6 : Các Mạch Truyền Động Thủy Lực Cơ Bản - 45

6.1 : Mạch điều khiển áp suất - 45

6.2 : Mạch điều khiển lưu lượng - 48

6.3 : Mạch điều khiển trực tiếp - 51

Chương 7 : Một Số Mạch Điển Hình - 55

7.1 : Máy dập thủy lực bằng tay - 55

7.2 : Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công - 55

7.3 : Hệ thống cẩu tải trọng nhẹ - 56

7.4 : Mạch thủy lực máy khoan bàn - 56

PHẦN B: TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN Chương 8 : Đại Cương Về Kỹ Thuật Khí Nén - 58

8.1 : Giới thiệu về kỹ thuật khí nén - 58

8.2 : Đặc điểm của không khí - 58

8.3 : Các đại lượng vật lý và đơn vị thường dùng trong khí nén - 59

8.4 : Các đặc điểm của truyền động khí nén - 59

8.5 : Các đại lượng và định luật vật lý - 59

8.6 : Cấu trúc của một hệ thống truyền động bằng khí nén - 63

Chương 9 : Hệ Thống Cung Cấp Và Xử Lý Khí Nén - 64

9.1 : Máy nén khí - 64

9.2 : Bộ lọc - 65

9.3 : Bộ điều chỉnh áp suất - 65

9.4 : Thiết bị bôi trơn - 67

9.5 : Nhóm thiết bị điều hòa - 67

9.6 : Hệ thống xử lý khí nén trong công nghiệp - 68

9.7 : Hệ thống thiết bị phân phối khí nén - 69

Chương 10 : Phần Tử Xử Lý - 71

10.1 : Van điều chỉnh áp suất - 71

10.2 : Van điều chỉnh lưu lượng - 71

11.2 : Các phương pháp điều khiển van đảo chiều - 77

11.3 : Các Van Đảo Chiều Thông Dụng - 77

Chương 12 : Cơ Cấu Tác Động - 81

12.1 : Xy lanh - 81

12.2 : Động cơ khí nén - 85

12.3 : Van chân không - 86

Chương 13 : Các Mạch Khí Nén Cơ Bản - 87

13.1 : Các ký hiệu dùng trong sơ đồ mạch - 87

13.2 : Nguyên tắc trình bày sơ đồ mạch - 97

13.3 : Các mạch khí nén - 88

Chương 14 : Thiết Kế Mạch Điều Khiển Tự Động Bằng Khí Nén - 92

14.1 : Các phần tử logic khí nén - 92

14.2 : Phương pháp thiết kế mạch khí nén tự động - 92

A Phương pháp Karnaugh - 93

B Phương pháp Grafcet - 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Ngọc Phương, Huỳnh Nguyễn Hoàng - Hệ thống điều khiển bằng thủy lực - NXB Giáo Dục 2002

2 Nguyễn Ngọc Phương - Hệ thống điều khiển bằng khí nén - NXB Giáo Dục 1999

3 Nguyễn Thành Trí (biên dịch) - Điều khiển bằng khí nén trong tự động hóa kỹ nghệ - NXB Đà Nẵng

4 Phạm Văn Khảo - Truyền động tự động khí nén - NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 1999

5 Hoàng Thị Bích Ngọc - Máy thủy lực thể tích - NXB Khoa Học và Kỹ Thuật 2000

6 Michael J.Pinches, John G.ASHB - Power Hydraulics 7 Michael J.Pinches, Brian J.Callear - Power Pneumatics 8 P.Croser - Pneumatics textbook - Festo 1992

9 D.Merkle, B.Shrader - Hydraulics textbook- Festo 1992

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

1.1 Nguyên Lý Truyền Dẫn Thủy Lực

1.1.1 Đặc điểm: có một khâu truyền động là chất lỏng

1.1.2 Tính chất: môi chất sử dụng có tỉ trọng không thay đổi theo nhiệt độ

và áp suất (không nén được)

1.1.3 Đơn vị: có 3 hệ thống đơn vị chính: hệ mét, hệ Anh và hệ SI

1.1.4 Định luật Pascal:

Ø Áp suất tác dụng theo mọi hướng là như nhau tại cùng một thời điểm Ø Áp suất luôn luôn tác dụng vuông góc với bề mặt tiếp xúc với chất lỏng

1.2 Ví Dụ Về Truyền Dẫn Thủy Lực

Heô thoâng khueâch ñái löïc

1.3 Các Loại Truyền Động

Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất đến nơi tiêu thụ Tuỳ theo công suất và khoảng cách vận chuyển, người ta có thể áp dụng các loại truyền động khác nhau Trong thực tế có 3 dạng truyền động phổ biến là truyền động điện, truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực

1.3.1 Truyền động cơ khí

Một hệ truyền động cơ khí bao gồm các bộ phận chính sau:

− Bộ phận nối (trục truyền động, khớp nối, )

− Bộ phận đáp ứng (bộ giảm tốc hoặc tăng tốc, hộp số, cua ro, )

− Bộ phận an toàn (phanh, bộ hạn chế mômen, )

Truyền động cơ khí có những đặc điểm là cho phép truyền những công suất tương đối lớn, hiệu suất cao, nhưng cồng kềnh, khoảng cách truyền hạn chế, độ nhạy và độ chính xác kém

1.3.2 Truyền động thuỷ lực

Trong truyền động thuỷ lực, cơ năng được truyền thông qua môi chất là chất lỏng Một hệ truyền động thuỷ lực gồm có các bộ phận chính sau:

− Bơm thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành thuỷ năng

− Động cơ thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi thuỷ năng thành cơ năng ở khâu ra của hệ truyền động

− Hệ thống đường ống và cơ cấu lọc chất lỏng

− Các phần tử thuỷ lực (cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn, cơ cấu điều chỉnh)

− Các thiết bị kiểm tra các thông số nhiệt độ, áp suất, mức nước,

Truyền động thuỷ lực có ưu điểm là công suất truyền lớn, truyền động êm, phòng được tình trạng quá tải, độ nhạy và độ chính xác cao, truyền động vô cấp và cho phép đảo chiều chuyển động Hiệu suất của truyền động thuỷ lực có thể so sánh với truyền động điện nhưng không cao bằng hiệu suất truyền động cơ khí, và khi khoảng cách truyền lớn thì truyền động điện ưu việt hơn về mặt hiệu suất Khi môi chất là chất khí thì chúng ta sẽ có truyền động khí nén

1.3.3 Truyền động điện

Các bộ phận của truyền động điện bao gồm:

− Máy phát điện làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng

− Động cơ điện (cơ cấu chấp hành) làm nhiệm vụ chuyển đổi lại từ điện năng sang cơ năng

− Các khâu trung gian như dây nối, công tắc, bộ đáp ứng, cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn và các thiết bị kiểm tra,

Đặc điểm của truyền động điện là cho phép truyền công suất ở khoảng cách xa, điều chỉnh vận tốc với độ chính xác cao.

Mỗi loại truyền động đều có những ưu điểm và nhược điểm của nó tuỳ theo phạm vi ứng dụng Việc lựa chọn sử dụng một trong ba loại truyền động cơ bản trên yêu cầu sự kết hợp hài hoà về các yếu tố hiệu suất, khả năng thực thi và giá cả phù hợp

1.4 Caùc Ñaịc Trưng Cụa Heô Thoâng Thụy Löïc 1.4.1 Aïp suất thủy tĩnh

Trong chất lỏng, áp suất (áp suất do trọng lượng và áp suất do ngoại lực) tác động lên mỗi phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa

AFPF =

h_ Chiều cao cột chất lỏng g_ Gia tốc trọng trường P_ Aïp suất tại điểm khảo sát PL_ Aïp suất khí quyển

PF_ Aïp suất của tải trọng ngoài A_Diện tích bề mặt tiếp xúc F_ Tải trọng ngoài

1.4.2 Phương trình dòng chảy liên tục

Lưu lượng chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi Lưu lượng Q của chất lỏng qua mặt cắt S của ống bằng nhau trong toàn ống (điều kiện liên tục) Ta có phương trình dòng chảy như sau:

Q_ Lưu lượng dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2 V1_ Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1 (m/s) V2_ Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2 (m/s) A1_ Tiết diện dòng chảy tại vị trí 1 (m2) A2_ Tiết diện dòng chảy tại vị trí 2 (m2) Nếu tiết diện dòng chảy hình tròn, ta có:

1⋅ = ⋅

Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2: 2

⋅ :Aïp suất thủy động

1.5.3 Tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành Tổn thất đó phụ thuộc vào những 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

_ Trọng lượng riêng, độ nhớt

Nếu áp suất vào hệ thống là p0 và p1 là áp suất ra, thì tổn thất áp suất được biểu thị bằng:

ρ_ Khối lượng riêng của dầu (914 kg/m3) g_ Gia tốc trọng trường (9.81 m/s2) v_ Vận tốc trung bình của dầu (m/s)

ζ_ Hệ số tổn thất cục bộ

1.5.4 Ảnh hưởng các thông số hình học đến tổn thất áp suất

a Tiết diện dạng tròn

∆p_ tổn thất áp suất l_ chiều dài ống dẫn

ρ_ khối lượng riêng của chất lỏng Q_ lưu lượng

D_ đường kính

ν_ độ nhớt động học

λ_ hệ số ma sát của ống

λLAM_ hệ số ma sát đối với chảy tầng

λTURB_ hệ số ma sát đối với chảy rối Tổn thất:

πλ =λ

Số Reynold: 3000 4

π Chảy tầng

l

b Tiết diện thay đổi độ lớn đột ngột

c Tiết diện thay đổi độ lớn từ từ

1224241. 8 .1

d Tiết diện nhỏ đột ngột

1222122. 8 .1

e Tiết diện nhỏ từ từ

∆p ≈ 0

f Tổn thất áp suất ở van

Đối với từng loại van cụ thể, do từng hãng sản xuất, thì sẽ có đường đặc tính tổn thất áp suất cho từng loại van Tổn thất áp suất ở van theo đồ thị

Q DD

Q DD

B

A Q

∆p

∆p = f(Q)

A → B 75%

Công suất điện Công suất bơm

Công suất ra (hữu ích)

5% Động cơ 5% Bơm

10% Ống dẫn, 5% Xilanh

1.6 Độ Nhớt Và Yêu Cầu Đối Với Dầu Thủy Lực

Độ nhớt xác định ma sát trong bản thân chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng trượt hoặc biến dạng cắt của chất lỏng

1.6.1 Độ nhớt động lực:

Độ nhớt động lực η là lực ma sát tính bằng 1 N tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt 1 m2 của 2 lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng, cách nhau 1 m và có vận tốc 1 m/s

Độ nhớt động lực η được tính bằng [ Pa.s] Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị poise (Poiseuille), viết tắt là P

Đơn vị độ nhớt động là [m2/s] Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị stốc (Stoke), viết tắt là St hoặc centistokes, viết tắt là cSt

1 St = 1 cm2/s = 10-4 m2/s 1 cSt = 10-2 St = 1 mm2/s

1.6.3 Độ nhớt theo độ Engler (E0)

Độ nhớt theo Engler (E0) là một tỷ số quy ước dùng để so sánh thời gian chảy 200 cm3 chất lỏng được thử qua lỗ nhớt kế (φ2.8 mm) với thời gian chảy 200 cm3 nước cất qua lỗ này ở nhiệt độ + 200C

1.6.4 Yêu cầu đối với dầu thủy lực

− Có khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn nhiệt độ và áp suất

− Độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ

− Không gây độc hại

− 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

− Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhất, cũng như tổn thất bé nhất

− Dầu cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hòa tan trong nước và không khí, dẫn nhiệt tốt

Ø Dầu sử dụng trong hệ thống cần chú ý một số điểm sau:

− Dầu đưa vào hệ thống cần qua bộ lọc

− Kiểm tra dầu và bổ sung dầu thường xuyên trong bể chứa

− Cần phải thay dầu thường xuyên theo định kỳ, 500 giờ đối với các thiết bị có tần số lưu thông dầu lớn, 2000 giờ đến 5000 giờ đối với các thiết bị lưu thông dầu không lớn Nếu sự thay dầu này được tiến hành trong thời gian quy định thì không cần thiết phải rửa hệ thống

− Tuyệt đối không dùng lẫn các loại dầu khác nhau

− Không để dầu làm việc ở nhiệt độ quá giới hạn cho phép Ø Tính chất của một số loại dầu thông dụng

Loại dầu

Trọng lượng riêng ở 200C

(kg/m3)

Độ nhớt ở 500C (cSt)

Nhiệt độ ngưng tụ

(0C)

Giới hạn nhiệt độ làm việc

(0C) Diezel 8

Diezel 11 Diezel 14

Công nghiệp 12 Công nghiệp 20 Công nghiệp 30 Tuabin 22 Tuabin 30 Truyền động

905

881 ÷ 909 901 901 896

8 ÷ 9 10,5 ÷ 12,5 13,5 ÷ 15,5

10 ÷ 14 17 ÷ 23 27 ÷ 33 20 ÷ 23 28 ÷ 32

9,6

-2 -13 -10 -30 -20 -15 -15 -10 -45

30 ÷ 40 0 ÷ 50 10 ÷ 50 5 ÷ 50 10 ÷ 50 -10 ÷ 90

1.7 Các Đặc Điểm Của Truyền Động Thủy Lực 1.7.1 Ưu điểm:

− Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng

− Điều chỉnh được vận tốc làm việc, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có trước

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

− Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao

− Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay điện

− Dễ biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành

− Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn

− Dễ quan sát và theo dõi bằng áp kế

1.7.2 Nhược điểm:

− Mất mát trong đường ống và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và hạn chế khả năng sử dụng

− Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính đàn hồi của đường ống dẫn

− Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi

1.8 Đơn Vị Đo Các Đại Lượng Cơ Bản:

1.8.1 Áp suất:

Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa)

1 Pascal (Pa) là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N)

CHƯƠNG II: BƠM THỦY LỰC

2.1 Công Dụng

Vận chuyển chất lỏng và nén chất lỏng dưới một áp suất nào đó Thực hiện quá trình chuyển đổi năng lượng, biến cơ năng thành năng lượng của dòng chất lỏng

Bộ phận quan trọng là guồng động có gắn cánh dẫn, khi quay thông qua các cánh dẫn thực hiện quá trình vận chuyển chất lỏng Bơm ly tâm hoạt động theo nguyên lý ly tâm còn bơm hướng trục hoạt động theo nguyên lý cánh nâng Cả hai bơm đều cho lưu lượng rất lớn đặc biệt là bơm hướng trục nhưng cột áp của cả hai loại bơm không lớn lắm Cột áp của bơm ly tâm vào

BÔM THỤY LÖÏC

BÔM LY TAĐM

BÔM HÖÔÙNG

TRÚC

BÔM PISTON

BÔM ROTOR

BÔM BAÙNH RAÍNG

BÔM CAÙNH

GÁT

BÔM TRÚC

VÍT HÖÔÙNG

TRÚC

HÖÔÙNG TAĐM BÔM

MAØNG

khoảng 100m nước Bơm động học thường được dùng để vận chuyển chất lỏng

Làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín Khi thể tích làm việc tăng thì bơm thực hiện pha hút chất lỏng còn khi thể tích làm việc giảm thì bơm thực hiện pha nén chất lỏng Sau một chu kỳ hút và nén, bơm sẽ vận chuyển được một thể tích chất lỏng xác định Như vậy bơm này chủ yếu tạo ra áp suất chất lỏng cho nên còn gọi là bơm thủy tĩnh Cột áp của bơm thể tích chủ yếu là thành phần áp năng thể hiện ở áp suất còn động năng (v2/2g) thì rất nhỏ

2.4 Ký Hiệu

2.5 Công Thức Tính Toán Bơm

2.5.1 Lưu lượng riêng Dp [m3/vòng]

Là lưu lượng mà bơm cung cấp khi quay được một vòng 2.5.2 Lưu lượng lý thuyết QT [m3/s]

QQη =

2.5.5 Hiệu suất cơ ηm

Dp: lưu lượng riêng [m3/vòng] Pp: áp suất [N/m2]

T: mo men xoắn cung cấp cho trục bơm [N.m]

2.5.6 Hiệu suất toàn phần η0 η0 = ηv ηm

2.5.7 Công suất lý thuyết của bơm NT [W]

NT = QA.PP

QA: lưu lượng thực của bơm [m3/s] Pp: áp suất [N/m2]

nP Q Dp

2.5.8 Công suất cung cấp cho bơm NA [W]

Ô Bơm piston thông thường L

2P = ⋅ ⋅

L: hành trình piston [m] d: đường kính piston [m] DP: lưu lượng riêng [m3/vòng]

Ô Bơm piston rotor hướng tâm (hình 2.2) 2e

2P = ⋅ ⋅ ⋅

Y: số lượng piston của bơm d: đường kính piston [m] e: khoảng lệch tâm [m]

DP: lưu lượng riêng [m3/vòng]

Hình 2.2: Mặt cắt ngang và kết cấu của bơm piston

Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng trượt) Sau một vòng quay của rotor, mỗi piston thực hiện một khoảng chạy kép có độ lớn bằng 2 lần độ lệch tâm

Ô Bơm piston rotor hướng trục (hình 2.3)

( )θ

2P = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Y: số lượng piston của bơm d: đường kính piston [m] DP: lưu lượng riêng [m3/vòng]

D: đường kính vòng lắp piston [m]

θ: góc nghiêng của đĩa

Hình 2.3: Kết cấu của bơm piston hướng trục

Bơm piston hướng trục là loại bơm có piston đặt song song với trục của rotor và được truyền bằng khớp hoặc bằng đĩa nghiêng Ngoài những ưu điểm như bơm piston hướng tâm, bơm piston hướng trục còn có ưu điểm là kích thước của nó nhỏ gọn hơn khi các thông số khác tương tự nhau

Bơm piston hướng trục hầu hết điều chỉnh được lưu lượng Trong công nghiệp thường sử dụng loại bơm này khi lượng yêu cầu ít nhất là 500 lít/phút Ở áp suất lớn và lưu lượng nhỏ, bơm chỉ làm việc ở chế độ không liên tục do khả năng làm nguội kém và chóng mòn

Hình 2.4: Lưu lượng bơm piston phụ thuộc vào độ nghiêng của đĩa

Trong các loại bơm piston, độ không đồng đều của lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm chuyển động của piston mà còn phụ thuộc vào số

lượng piston

2.6.2 Bơm bánh răng

(D D ) L4

DO: đường kính đỉnh răng [m] DI: đường kính chân răng [m] L: chiều rộng bánh răng [m] DP: lưu lượng riêng [m3/vòng]

Hình 2.5: Mặt cắt ngang của bơm bánh răng

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ Các loại bơm bánh răng hiện nay có khoảng áp suất từ 10 - 200 bar

Hình 2.6: Bơm bánh răng

Bơm bánh răng gồm: Loại bánh răng ăn khớp ngoài (hình 2.5, hình 2.6) hoặc ăn khớp trong (hình 2.7) Hình dạng răng có thể răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn

L: chiều rộng cánh [m]

Bơm cánh gạt (hình 2.8) cũng là loại bơm được dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và được dùng trong hệ thống có áp suất thấp và trung bình So với bơm bánh răng thì bơm cánh gạt đảm bảo lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn Ngoài ra bơm cánh gạt còn có khả năng thay đổi được lưu lượng bằng cách điều chỉnh độ lệch tâm e (hình 2.9)

Hình 2.8: Mặt cắt ngang bơm cánh gạt

Hình 2.9: Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng

Có hai loại bơm cánh gạt:

- Bơm cánh gạt đơn (hình 2.8) là khi trục quay một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm việc bao gồm một lần hút và một lần nén

- Bơm cánh gạt kép (hình 2.11) là khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén

Hình 2.10: Kết cấu bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng

Hình 2.11: Bơm cánh gạt kép

2.6.4 Bơm trục vít

Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dài và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít (hình 2.12, 2.13)

Bơm trục vít có 3 loại:

- Loại áp suất thấp (10 - 15 bar) - Loại áp suất trung bình (30 - 60 bar) - Loại áp suất cao (60 - 200 bar)

Bơm trục vít có đặc điểm là dầu được chuyển từ buồng hút sang buồng nén theo chiều trục, không có hiện tượng chèn dầu ở chân ren

Nhược điểm của bơm trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp Ưu điểm là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ

Hình 2.12: Bơm ba trục vít

Hình 2.13: Kết cấu bơm ba trục vít

2.7 Các Mạch Bơm Cơ Bản

2.7.1 Mạch bơm có Dp cố định

Mạch bơm có Dp cố định chỉ có ưu điểm là đơn giản nhưng có nhược điểm là do Dp không đổi nên toàn bộ lượng dầu trong mạch đều qua bơm, van an toàn ở áp suất cao sẽ làm dầu nóng lên làm tổn hao công suất (hình 2.14)

Hình 2.14: Mạch bơm có Dp cố định

2.7.2 Mạch bơm có Dp cố định và lắp thêm ắc quy thủy lực

Hình 2.15: Mạch bơm có Dp cố định và lắp thêm ắc quy thủy lực

Khi ắc quy thủy lực nạp đủ áp suất, công tắc dầu ép tác động, lưu lượng qua van C mà không qua van an toàn nên dầu không bị nóng, bơm làm việc rất nhẹ (hình 2.15)

nP Dp Q

M Hệ thống

Ắc quy thuỷ lực

nQ P Dp M

Hê thống

Nguoăn ñieôn

Cođng taĩc On/Off

C

2.7.3 Mạch nhiều bơm

Hình 2.16: Mạch nhiều bơm

Khi yêu cầu mạch có nhiều mức lưu lượng và áp suất khác nhau thì trong mạch phải mắc nhiều bơm Với 3 bơm A, B, C làm việc nhờ vào 3 van điện tương ứng a, b, c như hình 2.16 sẽ cho 7 giá trị lưu lượng khác nhau (Động cơ dầu quay với 7 vận tốc khác nhau)

Mạch sử dụng hai bơm (mục 6.1.3), một bơm cho áp suất cao và một bơm cho lưu lượng lớn

2.7.4 Mạch bơm có DP thay đổi

Mạch sử dụng bơm piston hướng tâm và bơm cánh gạt thay đổi được độ lệch tâm và bơm piston hướng trục thay đổi độ nghiêng của đĩa Khi thay đổi độ lệch tâm và độ nghiêng của đĩa sẽ làm cho Dp thay đổi Lưu lượng trong mạch sẽ thay đổi theo Dp

c

M np

CHƯƠNG III: CƠ CẤU TÁC ĐỘNG A XY LANH

3.1 Phân Loại

3.1.1 Xy lanh tác dụng đơn

Hình 3.1: Xy lanh tác dụng đơn

3.1.2 Xy lanh tác dụng kép

3.1.3 Xy lanh nhiều tầng (xy lanh vi sai)

Hình 3.2: Xy lanh vi sai

3.1.4 Xy lanh tác dụng hai phía

Hình 3.3: Xy lanh hai cần

3.1.5 Xy lanh quay

Hình 3.4: Xy lanh quay (cơ cấu bánh răng thanh răng)

3.2 Cấu Tạo Xy Lanh

Hình 3.5: Cấu tạo xy lanh

3.3 Công Thức Tính Toán Xy Lanh

3.3.1 Xy lanh chiếm chỗ (con đội thủy lực)

Lực tác dụng lớn nhất [N] .P4πd.

d: đường kính cần piston [m] P: áp suất [N/m2]

Hình 3.6: Con đội thủy lực

Vận tốc cần piston [m/s]

3.3.2 Xy lanh tác động kép

Hình 3.7: Xy lanh tác động kép

3.3.3 Vận tốc khi tiến (extend)

AQv E

E =

3.3.4 Vận tốc khi lùi (retract)

qv R

3.3.5 Tải trọng tĩnh của xy lanh

Lực tác động lớn nhất trên cần piston Fmax = P.A

Trong trường hợp tổng quát

3.3.6 Tải trọng động của xy lanh

Khi kể đến lực quán tính, lực ma sát thì tải động của xy lanh nhỏ hơn Thông thường Fđộng=0,9.Ftĩnh

3.3.7 Gĩan đồ áp của xy lanh khi làm việc

Xét một xy lanh làm việc ở trạng thái như hình

Như hình vẽ, để nâng một vật có khối lượng M Lực để đẩy piston đi ra F = P1A - P2a

a

P2M

t

Aïp suất dầu cung cấp

t t

Spee d

Z Y X W

Aïp suất dầu về

Mặt khác để nâng được vật lên thì lực F > Mg + f _ g: gia tốc trọng trường

_ f: Lực ma sát tĩnh

Theo định luật Newton thi gia tốc tức thời là:

Ma = Fa

Tuy nhiên Fa = P1A - P2a - Mg - f

Fa không đổi vì áp suất P1 và P2 sẽ thay đổi Tại điểm Z, vận tốc của xylanh được xác định bằng maximum lượng dầu vào hoặc maximum lượng dầu ra Aïp suất dầu ra có thể được xác định bằng áp suất bên ngoài Aïp suất dầu vào được xác định như sau:

Thời gian từ W đến Y (trước khi xylanh bắt đầu di chuyển) được gọi là thời gian chết Nó được xác định bằng việc giảm áp suất ra Thời gian này cũng có thể giảm đi bằng cách mở rộng cửa thoát của dầu ra

3.4 Điều Kiện Làm Việc Của Xy Lanh

Một xy lanh làm việc đều có hai quá trình tăng tốc từ trạng thái nghỉ đến vmax và giảm dần từ vmax đến trạng thái nghỉ Khi tăng tốc chú ý đến vận tốc và gia tốc của xy lanh (sinh ra lực quán tính) Cuối hành trình phải có kết cấu làm chậm chuyển động của xy lanh nhằm giảm quá trình va đập gây hỏng cho xy lanh (thực hiện quá trình giảm chấn)

Vận tốc lớn nhất của xy lanh không giảm chấn vmax (8 m/phút), xy lanh giảm chấn trong vmax ( 12 m/phút), xy lanh giảm chấn ngoài vmax ( 45 m/phút) Tuy nhiên chỉ nên cho xy lanh làm việc ở vận tốc vmax ( 12 m/phút)

Nhiệt độ làm việc của dầu không vượt quá 5000C Ở nhiệt độ 8000C có thể làm hư vòng chắn của piston

Hiệu suất của xy lanh phụ thuộc vào điều kiện làm việc, áp suất trong mạch thủy lực và được xác định bằng thực nghiệm:

3.5 Phương Pháp Cố Định Xy Lanh

- Cố định giá chân

- Cố định mặt bích trước

- Cố định mặt bích sau

- Cố định bằng ngỗng trục

- Cố định bằng khớp bản lề

- Piston gắn với bộ phận công tác bằng ren, khớp bản lề

Hình 3.8: Kết cấu xy lanh giảm chấn

3.6 Tính Toán Và Kiểm Tra Bền Cần Piston (Trạng Thái Uốn Dọc)

Công thức Euler 2

.E.JπK=

S: hệ số an toàn Thông thường S = 3 ÷ 5 K: lực tới hạn theo Euler

B ĐỘNG CƠ THỦY LỰC

Động cơ thủy lực là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng của dòng chất lỏng thành động năng quay trên trục động cơ Quá trình biến đổi năng lượng là dầu có áp suất được đưa vào buồng công tác của động cơ Dưới tác dụng của áp suất, các phần tử của động cơ quay

Thông số cơ bản của động cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay Dm và hiệu áp suất vào và áp suất ra

3.7 Động Cơ Dầu Bán Quay

Các loại động cơ quay với góc quay < 3600, đảo chiều, đi về làm cho cơ cấu công tác quét một góc làm việc cần thiết

Có 3 loại:

- Cánh gạt đơn, cánh gạt kép (hình 3.10)

- Piston kết hợp cơ cấu thanh răng, bánh răng (hình 3.4) - Vít xoắn + piston

Hình 3.10: Cánh gạt đơn, cánh gạt kép

3.8 Động Cơ Dầu Ép

Tạo vận tốc quay liên tục, tùy loại động cơ có thể quay đảo chiều (quay liên tục) Nguyên lý làm việc của động cơ dầu giống như nguyên lý làm việc của bơm chỉ khác là động cơ dầu biến áp năng thành công cơ học còn bơm thì ngược lại, biến công cơ học thành áp năng

Các kiểu động cơ dầu giống như bơm thủy lực: động cơ bánh răng, cánh gạt, piston (động cơ dầu piston hướng kính, động cơ dầu piston hướng trục)

Hình 3.11: Động cơ dầu kiểu bánh răng

- Lưu lượng riêng Dm [m3/vòng]: là lưu lượng cung cấp cho động cơ để động cơ quay được một vòng

- Lưu lượng lý thuyết QT [m3/s] QT = Dm.nm/60

- Lưu lượng thực (cung cấp) QA [m3/s] - Hiệu suất thể tích ηv

- Hiệu suất cơ ηm

Pm: áp suất vào động cơ [N/m2]

T: mo men xoắn tạo ra trên trục động cơ [N.m] - Hiệu suất toàn phần η0

η0 = ηv ηm

- Công suất lý thuyết của động cơ NT [W]

- Công suất ra thực tế của động cơ NA [W]

0TA N.ηN=

CHÖÔNG IV: VAN THỤY LÖÏC

Các van thủy lực nằm giữa bơm và cơ cấu chấp hành trên mạch bơm có nhiệm vụ điều khiển và điều chỉnh dòng lưu chất trong mạch

Về chức năng có thể chia thành các loại sau: v Nhóm van điều khiển áp suất

• Van an toàn (van tràn)

• Van cân bằng

• Van tuần tự

• Van giảm áp

v Nhóm các van điều chỉnh lưu lượng

• Van tiết lưu

• Van ổn định vận tốc

v Nhóm các van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng

• Van phân phối (van đảo chiều)

Các loại van an toàn:

- Van an toàn điều khiển trực tiếp (hình 4.1)

- Van an toàn điều khiển gián tiếp (bằng áp suất, bằng điện - van phân phối ) - hình 4.2

Hình 4.1: Van an toàn điều khiển trực tiếp

Hình 4.2: Van an toàn điều khiển gián tiếp

Về công nghệ thì các van an toàn có hai kiểu - Van an toàn kiểu nắp đậy (hình 4.3)

- Van an toàn kiểu vi sai (hình 4.4) - Van an toàn kiểu con trượt (hình 4.2)

Hình 4.3: Van an toàn kiểu nắp đậy

Hình 4.4: Van an toàn kiểu vi sai Lực mở van F = p(a - b)

4.1.2 Van cân bằng

Là loại van điều khiển áp suất dùng để cân bằng hoặc tạo ra đối áp đối với xy lanh khi làm việc Khi cần áp suất làm việc là P thì van phải chỉnh ở áp suất 1,3P (hình 4.5)

Hình 4.5: Kết cấu và ứng dụng van cân bằng trong mạch thủy lực

Để hạn chế đối áp gây tổn hao công suất tại van khi làm việc người ta còn sử dụng một van cân bằng kiểu khác (hình 4.6)

Hình 4.6: Hai loại van cân bằng trong mạch thủy lực

4.1.3 Van giảm áp

- Van giảm áp điều khiển trực tiếp (hình 4.7)

Hình 4.7: Van giảm áp điều khiển trực tiếp

- Van giảm áp điều khiển gián tiếp (hình 4.8)

Dòng thủy lực sẽ chảy từ B qua A qua rãnh 7, khi áp suất được điều chỉnh giảm áp theo yêu cầu, khi đó nút côn 1 sẽ đóng lại Khi áp suất ở cửa A tăng lên, tạo chênh lệch áp ở vòi phun 4, nút côn 1 sẽ mở ra, con trượt 5 sẽ dịch

chuyển lên, như vậy khe hở 7 nhỏ lại, áp suất ở cửa A sẽ giảm xuống và giữ ở mức ổn định

Áp suất ở cửa A có giá trị: PA = PB - ∆P

Hình 4.8: Van giảm áp điều khiển gián tiếp

4.1.4 Van đóng, mở nối tiếp

Van đóng mở nối tiếp có chức năng tương tự như van tràn Van được sử dụng khi có yêu cầu mở, đóng hai dòng lưu chất mà quá trình đóng, mở một dòng được thực hiện nhờ tín hiệu áp suất của dòng kia hoặc áp suất từ nguồn khác qua cửa Z

4.1.5 Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực (hình 4.9)

Khi bình trích chứa thủy lực được nạp đến áp suất yêu cầu, van sẽ đóng lại, dầu theo cửa thoát của van trở về thùng Khi áp suất trong bình chứa thủy lực giảm xuống đến mức cho phép thì bình trích chứa thủy lực được nạp lại qua van

4.2 Van Điều Khiển Lưu Lượng

Van điều khiển lưu lượng được dùng điều chỉnh tốc độ dòng lưu chất tới cơ cấu chấp hành và như vậy sẽ điều khiển được tốc độ của cơ cấu chấp hành Việc điều khiển được thực hiện bởi sự thay đổi tiết diện của lỗ và đặc tính dòng chảy qua lỗ đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các thiết bị điều khiển thủy lực Dòng lưu chất chảy qua lỗ thường được xem là hỗn lưu và lưu lượng chảy qua lỗ được tính bởi công thức Q = k.A.(∆P)1/2, k là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của lỗ và của dòng lưu chất, A là tiết diện lỗ, ∆P là sụt áp qua lỗ Khi có yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác dưới điều kiện tải trọng thay đổi thì cần phải giữ sự giảm áp không đổi qua lỗ Mối liên hệ giữa lưu

lượng và vị trí của thiết bị điều chỉnh gọi là đặc tính của thiết bị đó (tuyến tính, logarit hay một đường cong đặc biệt nào đó)

Hình 4.9: Van đóng mở cho bình trích thủy lực

4.2.1 Van tiết lưu (hình 4.10)

Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc và thời gian chạy của cơ cấu chấp hành Van làm việc dựa trên nguyên lý lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện

Ký hiệu

Hình 4.10: Van tiết lưu

Dựa vào phương pháp điều chỉnh lưu lượng van tiết lưu được chia làm hai loại chính: van tiết lưu điều chỉnh dọc trục và van tiết lưu điều chỉnh ngang trục

Dựa vào đặc tính hoạt động của van tiết lưu có thể chia làm hai loại: van tiết lưu một chiều và van tiết lưu hai chiều

4.2.2 Van giảm tốc

Van tiết lưu được điều khiển bằng con lăn hay cần con lăn, có thể thường đóng hoặc thường mở cho dòng chảy và như thế có thể điều khiển sự tăng tốc hoặc giảm tốc

Hình 4.11: Van giảm tốc

Hình 4.12: Mạch sử dụng van giảm tốc

4.3 Van Điều Khiển Hướng

Van có chức năng

- Hướng dòng lưu chất đi theo các đường làm việc cần thiết (lên phía trái hay phía phải của xy lanh)

- Cho dòng lưu chất đi qua hoặc không đi qua - Cho một tín hiệu điều khiển

4.3.1 Van 1 chiều

Van chỉ cho phép lưu chất đi một chiều và ngăn dòng chảy theo hướng ngược lại (có hoặc không có điều khiển) Van một chiều có thể dùng với các loại lò xo khác nhau để cho các áp suất mở khác nhau Sự giảm áp qua van tùy thuộc vào tốc độ chảy (hình 4.13)

P: nguồn có áp; T: cửa thoát về bể dầu; A, B: cửa dầu đi làm việc (lên xy lanh, động cơ); X, Y là các tín hiệu điều khiển

a Van phân phối 2 cửa, 2 vị trí (van 2/2) A

b Van phân phối 3 cửa, 2 vị trí (van 3/2)

c Van phân phối 4 cửa, 2 vị trí (van 4/2)

d Van phân phối 4 cửa, 3 vị trí (van 4/3)

e Các phương pháp điều khiển van phân phối: Đòn bẩy (cần gạt)

Cơ khí Nút nhấn Bàn đạp Áp suất dầu

Nam châm điện (solenoid) Lò xo

B A T

P A B