Bài giảng 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 truyền động thủy tĩnh Bơm thủy lực Bộ điều khiển (van phân phối) Xi lanh thủy lực( công tác) Van bảo hiểm (van an toàn) Thùng dầu Bầu lọc 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 dòng chảy, dầu có vận tốc cao đập Hình 1.1 Sơ đồ nguyên tắc truyền động thuỷ vào cánh tuốc bin tuốc bin có động mơ men quay Truyền động thủy động 1.Bơm ly tâm; 2,5,7,9 Đường ống; Cơ cấu có đặc tuyến mềm, ngoại lực tăng, dẫn hướng; 4.Tuốc bin; 6,8 Thùng chứa chất số vòng quay giảm xuống tia dầu tăng lỏng áp lực đập vào cánh tua bin làm cho mô 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 công 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 chất lỏng công tác làm chất bôi trơn, nâng cao tuổi thọ máy  Có khả tự bảo vệ máy 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 cơng tác (dầu) dễ bị rò rỉ dễ bị bọt khí bên ngồi xâm nhập vào, từ làm giảm hiệu suất tính chất làm việc ổn định truyền động  Đòi 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 không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa Hình 1.2 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: (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: (1.2) Hình 1.3 Khuếch đại lực nâng khuếch đại áp suất 1.1.2.2 Phương trình dòng chảy liên tục Lưu lượng dòng 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 dòng chảy sau: (1.3) Với v vận tốc chảy trung bình chất lỏng qua mặt cắt S Như lưu lượng chất lỏng qua mặt cắt A1 mặt cắt A2 nhau, tiết diện A1A2 nên vận tốc dòng chảy khác Nếu tiết diện hình tròn, ta viết sau: Từ ta tính vận tốc dòng chảy vị trí 2: (1.4) Trong đó: d1 d2 đường kính tiết diện 1.1.2.3 Phương trình Bernulli Áp suất điểm chất lỏng chảy, theo hình 1.6 ta có: Hình 1.2 Phương trình dòng chảy liên tục (1.5) Trong đó: : áp suất thủy tĩnh : áp suất thủy động Với trọng lượng riêng,  khối lượng riêng Hình 1.3 Phương trình Bernulli 1.1.3 Các đại lượng truyền động thủy lực 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 1.4 Phân biệt loại áp suất Trong thực tế, người ta dùng đơn vị bội số Pa Mega Pascal (MPa), Mpa = 10 Pa ngồi người ta dùng đơn vị bar: bar = 105 Pa; kG/cm2 = 0,981 bar Ngồi 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 1.1.3.4 Công suất Đơn vị công suất Watt (W) 1W công suất thời gian 1s sinh lượng 1J 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 p0 áp suất p1, tổn thất áp suất biểu thị bằng: (1.6) Tổn thất áp suất hệ thống thủy lực Hình 1.5 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  lực ma sát tính N tác động đơn vị diện tích bề mặt 1m2 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 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: (1.7) Độ nhớt động học có đơn vị m2/s Ngồi ra, người ta 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 1.6 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 u cầu sau:  Có khả bơi trơn tốt khoảng thay đổi lớn nhiệt độ áp suất  Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ  Có tính trung hòa (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, hòa 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 môi trường tốt an tồn cao Ngồi 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 phòng ngừa 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 khơng thể thực chuyển động thẳng quay  Dòng khí nén ngồi mơi 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, mơi 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 lông, đai ốc, máy khoan có cơng suất khoảng 3,5kW; máy mài cơng suất khoảng 2,5kW, máy mài có cơng suất nhỏ số vòng 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 cơng, hệ thống phanh hãm tơ 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 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: ST Đại lượng vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi T 1,293 Kg/m3 T=2730K; Pa=1,013bar Khối lượng riêng n 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) 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) Nếu gọi: Hình 1.7 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: (1.10) Sự phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ không thay đổi đường cong parabol Năng lượng nén giãn nở khơng khí tính theo công thức (1.11) b) Định luật Gay – Lussac Khi áp suất không thay đổi (p = const) theo phương trình 1.1 ta có: (1.12) 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 (1.13) Hình 1.8 Sự thay đổi thể tích áp suất Hình 1.9 Sự thay đổi áp suất số thể tích số c) Định luật Gay – Lussac Khi thể tích khơng đổi, phương trình 1.1 viết lại sau: (1.14) 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) Hay (1.16) Khối lượng khơng khí m tính theo cơng thức: nên (1.17) Từ phương trình 1.8 ta thiết lập mối quan hệ áp suất khối lượng riêng  nhiệt độ T không thay đổi sau: (1.18) Sự phụ thuộc khối lượng riêng  vào nhiệt độ áp suất không thay đổi: (1.19) Sự phụ thuộc vào khối lượng riêng  ba đại lượng áp suất, nhiệt độ thể tích thay đổi (1.20) e) Phương trình đoạn nhiệt Trạng thái đoạn nhiệt trạng thái mà q trình nén hay giãn nở khơng có nhiệt đưa vào hay lấy Thể tích riêng khơng khí xác định sau: (1.21) Nên ta nhận phương trình trạng thái khí nén sau: hay (1.22) Nhiệt lượng riêng c nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng khơng khí 1kg lên nhiệt độ 10K nhiệt lượng riêng thể tích khơng thay đổi ký hiệu cv, áp suất không thay đổi ký hiệu cp Tỷ số cp cv gọi số đoạn nhiệt (1.23) Hiệu số cp cv gọi số khí R (1.24) Phương trình trạng thái đoạn nhiệt: (1.25) Hay Trong thực tế thực trình đẳng nhiệt đoạn nhiệt trình xảy thường nằm khoảng trình đẳng nhiệt đoạn nhiệt, gọi q trình đa biến có phương trình: (1.26) Hay Chỉ số đa biến n xác định sau: Quá trình Đẳng nhiệt Đẳng áp Đoạn nhiệt Đẳng tích n k  1.2.2.4 Độ ẩm khơng khí Khí hỗn hợp nước khơng khí Theo định luật Dalton, áp suất tồn phần khí hỗn hợp tổng áp suất riêng phần Khi nước dẫn vào khơng gian kín có chứa khơng khí, nước bốc đến chừng nước đạt áp suất bão hòa p’w, áp suất khí hỗn hợp khơng gian kín đó, theo Dalton là: (1.27) Trong đó: P: Áp suất tồn phần khí hỗn hợp gồm khơng khí nước Pkhong khi: áp suất riêng phần khơng khí khơ P’w: áp suất riêng phần nước bảo hòa Lượng nước bốc cần thiết để đạt áp suất bảo hòa phụ thuộc vào nhiệt độ khơng khí lượng khơng khí khơng phụ thuộc vào áp suất khơng khí Lượng nước chứa nhiều 1kg khơng khí gọi lượng ẩm bảo hòa x’ (g/kg) Lượng nước thực tế chứa 1kg khơng khí (ở nhiệt độ) gọi lượng ẩm tuyệt đối x (g/kg) Đệ ẩm tương đối khơng khí biểu thị dạng % () tỷ số lượng ẩm tuyệt đối lượng ẩm bảo hòa (1.28) Bảng cho ta biết lượng nước chứa nhiều (lượng ẩm bảo hòa) 1kg khơng khí nhiệt độ khác nhau: Nhiệt độ (0C) -18 -10 10 15 Lượng ẩm bảo hòa x’ (g/kg) 0,78 1,62 3,82 5,47 7,73 10,78 Nhiệt độ ( C) 20 30 50 70 90 100 Lượng ẩm bảo hòa x’ (g/kg) 14,8 27,5 87,5 152, 409,1 409,2 75 10 van chuyển đổi sang vị trí 1, cửa P A nối thông với nhau, cửa R bị chặn lại đầu đò không 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 4.22: 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 P1, 12 tác động lên piston phụ, đẩy piston phụ 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 nữa, van ngun vị trí đó, chừng chưa có tín hiệu tác động lên phía đối diện nòng van Vị trí tác động ký hiệu a,b,c… Tác động lên nòng 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 4.23: 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: 52 Hình 4.24: 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 nòng van Hai phía nòng van khoan lỗ đường kính1mm thơng với cửa P Khi có áp suất cửa P, dòng khí nén điều khiển vào phía đối diện nòng van qua lỗ nòng van vị trí cân cửa X xả khí, nòng 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 nòng van nằm vị trí b, chừng chưa có tín hiệu xả khí cửa nối Y Hình 4.25: 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 nòng van Hình 4.26: Van trượt đảo chiều 4/2 (tác động khí vào) Khi có tác động tín hiệu xung X, nòng 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 53 Van an toàn tác dụng trực tiếp làm việc với nguyên lý cân lực tạo áp suất khí nén lực đàn hồi lò 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 4.27: Van an toàn 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 lò 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 giảm xuống, đến áp suất giảm xuống thấp giá trị định trước lực căng lò xo van đóng lại Van an tồn 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 lò 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 lò 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 lò xo (được thiết lập vít điều chỉnh E) nên đẩy màng B xuống, khí nén phía màng B xả 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 54 Hình 4.5: Van an tồn điều khiển gián tiếp 4.3.2.2 Van giảm áp 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 tác động lên đĩa van nên đĩa van đóng lại áp suất đầu điều chỉnh cách điều chỉnh độ căng lò xo Hình 4.6: Van giảm áp tác động trực tiếp 4.3.3 Van tiết lưu Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng khí nén, tức điều chỉnh vận tốc thời gian chạy cấu chấp hành Ngoài 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 4.28: 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 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 55 Hình 4.29: 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 dòng khí nén từ A sang B, lò xo đẩy màng xuống đóng cửa lỗ màng đế, dòng khí nén qua khe hở Ax màng chắn chốt van Khi dòng khí nén từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo đẩy màng chắn lên dòng khí nén qua cửa thân van (giữa màng chắn mặt tựa màng chắn), lưu lượng không điều chỉnh Hình 4.30: 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 Ax điều chỉnh (chiều từ A sang B) Chiều từ B sang A van tiết lưu khơng có tác dụng Hình 4.31: Van tiết lưu chiều điều chỉnh cữ chặn 4.3.4 Van chặn 56 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: dòng khí nén từ A sang B van bị đẩy khỏi đế, chiều từ B qua A dòng khí nén bị chặn lại Hình 4.32: Van chiều 4.3.4.2 Van logic OR có dòng 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 dòng khí nén qua cửa P2, đẩy piston trụ van sang vị trí bên trái, chắn cửa P1 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 4.33: Van logic OR 4.3.4.3 Van logic AND có dòng khí nén qua cửa P1, đẩy piston trụ van sang vị trí bên phải, cửa P1 bị chặn Hoặc có dòng khí nén qua cửa P2, đẩy piston trụ van sang vị trí bên trái, cửa P2 bị chặn Nếu dòng khí nén đồng thời qua cửa P1 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 4.34: Van logic AND 4.3.4.4 Van xả nhanh Khi có dòng khí nén qua cửa P1, đẩy piston trụ sang phải, chắn cửa R, cửa P nối với cửa A Trường hợp ngược lại, có dòng 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 57 Hình 2.1: Van xả nhanh 58 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: trình hệ thống, tác dụng hay nhiều đại lượng vào, đại lượng thay đổi theo quy luật định hệ thống Đặc trưng cho 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 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 xe1 (nút bấm van đảo chiều 3/2), đại lượng xa1 (khí nén) đến tác động vào van đảo chiều, đại lượng xa1 coi đại lượng vào xe2 phần tử van đảo chiều 3/2 làm thay đổi vị Hình 5.1: Mạch điều khiển xilanh 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 5.2: 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; 59 Hình 5.3: Các phần tử mạch điều khiển  Tín hiệu điều khiển: đại lượng xa thiết bị điều khiển đại lượng vào xe 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 b1, rơ le c có điện, bóng đèn h điện nhả nút b1 bóng đèn h sáng Hình 5.4: 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 5.5: 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 b1 đồng thời nhấn nút b2, rơ le c có điện, bóng đèn h tắt 60 Hình 5.6: Phần tử logic NAND 5.1.2.4 Phần tử logic AND – NAND Phần tử logic AND-NAND có tín hiệu h1 h2 Từ sơ đồ mạch cho thấy rẳng với liên hệ cứng c1 c2 tín hiệu h1 h2 khơng đồng thời Hình 5.7: 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 5.8: 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 5.9: Phần tử logic NOR 5.1.2.7 Phần từ logic OR/NOR Phần tử lotic OR/NOR với tín hiệu vào b1, b2 tín hiệu h1 h2 H1 h2 không sáng đồng thời, h1 sáng cần nhấn b1 b2 h2 tắt 61 Hình 5.10: Phần tử logic OR/NOR 5.1.2.8 Phần tử logic XOR (EXC-OR) Đèn h sáng, nút nhấn b1 b2 thực nhấn nút đồng thời, đèn h1 điện Hình 5.11: Phần tử logic XOR (EXC-OR) 5.1.3 Biểu diễn phần tử logic khí nén 5.1.3.1 Phần tử NOT Van đảo chiều 3/2 có vị trí “khơng”, vị trí “khơng” cổng tín hiệu A (L) nối với nguồn P Khi chưa có tín hiệu vào a=0, cửa A nối với P Khi có tín hiệu vào (áp suất) a=L, van đảo chiều đổi vị trí cửa A=0 (bị chặn) Hình 5.12: Phần tử NOT 5.1.3.2 Phần tử OR NOR Phần tử OR van đảo chiều 3/2 có vị trí “khơng”, vị trí “khơng” cổng tín hiệu A bị chặn Khi chưa có tín hiệu vào a1=0, a2=0 cửa A bị chặn Khi có tín hiệu vào (áp suất) a1 = L a2 = L, van đảo chiều đổi vị trí, cửa A=L (nối với nguồn P) Phần tử NOR van đảo chiều 3/2 có vị trí “khơng”, vị trí “khơng” cổng tín hiệu A nối với nguồn P Khi chưa có tín hiệu vào a1=0, a2=0 cửa A nối với nguồn P Khi có tín hiệu vào (áp suất) a1 = L a2 = L, van đảo chiều đổi vị trí, cửa A bị chặn Hình 5.13: Phần tử logic khí nén a) Phần tử OR; b) Phần tử NOR 5.1.3.3 Phần tử AND NAND 62 Hình 5.14: Phần tử logic khí nén a) Phần tử AND; b) Phần tử NAND 5.1.3.4 Phần tử EXC – OR Phần tử EXC – OR gồm van OR, van AND van đảo chiều 3/2 có vị trí “khơng” vị trí “không” cửa A nối với nguồn P Hoặc hệ thống gồm van OR van đảo chiều 3/2 có vị trí “khơng” vị trí “khơng” cửa A nối với nguồn P Hình 5.15: Phần tử logic khí nén EXC - OR 5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén Trong hệ thống điều khiển gồm nhiều mạch điều khiển torng trình điều khiển, nhiều hệ điều khiển kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển khí nén kết hợp với điện, thủy lực… Để đơn giản trình điều khiển, giảng trình bày cách biểu diễn chức trình điều khiển theo tiêu chuẩn Đức, gồm có:  Biểu đồ trạng thái;  Sơ đồ chức năng;  Lưu đồ tiến trình 5.2.1 Biểu đồ trạng thái Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái phần từ mạch, mối liên hệ phần tử trình tự chuyển mạch phần tử Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay…) trục tọa độ nằm ngang biểu diễn bước thực thời gian hành trình Hành trình làm việc chia làm bước thay đổi trạng thái bước biểu diễn đường đậm liên kết tín hiệu biểu diễn đường nét nhỏ chiều tác động biểu diễn mũi tên Nút ấn 1.2 1.4 liên kết OR, nút ấn 1.6 1.8 liên kết AND Xilanh kí Hình 5.2: Biểu đồ trạng thái hiệu dấu (+), xilanh lùi kí hiệu dấu (-) xilanh 1.0 5.2.2 Sơ đồ chức Sơ đồ chức bao gồm bước thực lệnh Các bước thực ký hiệu theo số thứ tự lệnh gồm tên lệnh, loại lệnh vị trí ngắt lệnh 63 Hình 5.16: Kí hiệu bước lệnh thực Kí hiệu bước thực biểu diễn hình 5.19 Tín hiệu a1 bước thực điều khiển lệnh thực (van đảo chiều, xilanh, động cơ) biểu diễn đường nằm ngang bên phải phía ký hiệu bước thực Tín hiệu vào biểu diễn đường thẳng phía bên phải kí hiệu bước thực bước thực n có hiệu lực bước thực (n-1) trước hồn thành, đạt vị trí ngắt lệnh Bước thực thứ n Hình 5.3: Kí hiệu bước xóa, bước thực tiếp sau có hiệu lực thực Kí hiệu lệnh thực biểu diễn hình 5.20, bồm phần: tên lệnh, loại lệnh vị trí ngắt lệnh Tín hiệu kí hiệu lệnh khơng cần biểu diễn vng bên phải kí hiệu qua ta nhận thấy cách tổng thể từ tín hiệu điều khiển tới cấu chấp hành Ví dụ: tín hiệu a1 điều khiển van đảo chiều V1 loại lệnh SH (loại lệnh nhớ, dòng lượng hệ thống đi) Với tín hiệu A1 từ van đảo chiều điều khiển piston Z1 với loại lệnh NS (không nhớ) Hình 5.17: Kí hiệu lệnh thực 5.2.3 Lưu đồ tiến trình Lưu đồ tiến trình biểu diễn phương thức giải trình điều khiển lưu đồ tiến trình khơng biểu diễn thơng số, phần tử điều khiển lưu đồ tiến trình có ưu điểm vạch hướng tổng quát trình điều khiển có tác dụng phương tiện thơng tin người sản xuất phần tử điều khiển kỹ thuật viên sử dụng phần tử 64 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN .1 1.1 Cơ sở lý thuyết truyền động thủy lực 1.1.1 Khái niệm, phân loại ưu nhược truyền động thủy lực 1.1.2 Các định luật chất lỏng 1.1.3 Các đại lượng truyền động thủy lực .4 1.1.4 Tổn thất hệ thống điều khiển thủy lực 1.1.5 Tính chất yêu cầu truyền động thủy lực 1.2 Cơ sở lý thuyết truyền động khí nén 1.2.1 Khái niệm, ưu nhược điểm khả ứng dụng 1.2.2 Cơ sở tính tốn truyền động khí nén CHƯƠNG 2: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC 16 2.1 Bơm thủy lực 16 2.1.1 Bơm bánh 16 2.1.2 Bơm piston .18 2.1.3 Bơm cánh gạt 20 2.2 Xi lanh thủy lực 20 2.3 Van đảo chiều 22 2.4 Van điều chỉnh áp suất 23 2.4.1 Van an toàn (van tràn) .23 2.4.2 Van giảm áp .24 2.5 Van điều chỉnh lưu lượng (van tiết lưu) 25 2.6 Van chặn 26 2.6.1 Van chiều: 26 2.6.2 Van chiều điều khiển hướng chặn 26 2.6.3 Van chiều tác động khóa lẫn (bộ chống lún, chống tuột): 26 2.7 Thùng chứa dầu 26 2.8 Bộ lọc dầu .27 2.8.1 Khái niệm 27 2.8.2 Yêu cầu lọc dầu 28 2.8.3 Phân loại lọc dầu .28 2.9 Bình tích 28 2.9.1 Bình tích kiểu trọng lực 29 2.9.2 Bình tích kiểu lò xo 29 2.9.3 Bình tích kiểu thuỷ khí 29 2.10 Dụng cụ đo áp suất lưu lượng 30 2.10.1 Đo áp suất .30 2.10.2 Đo lưu lượng 30 2.11 Ống dẫn đầu nối .31 2.11.1 Ống dẫn 31 2.11.2 Đầu nối 31 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC .33 65 3.1 Ứng dụng truyền động thủy lực .33 3.1.1 Máy dập thủy lực điều khiển tay 34 3.1.2 Nâng hạ chi tiết sợn lò sấy 35 3.1.3 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 35 3.1.4 Hệ thống cẩu tải trọng nhẹ 36 3.1.5 Máy khoan bàn 36 3.2 Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 37 3.2.1 Quan hệ tốn học thơng số hệ thống truyền động thủy lực 37 3.2.2 Ví dụ thiết kế hệ thống thủy lực .38 CHƯƠNG 4: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 41 4.1 Máy nén khí thiết bị xử lý khí nén 41 4.1.1 Máy nén khí .41 4.1.2 Thiết bị xử lý khí nén .45 4.2 Cơ cấu chấp hành 46 4.2.1 Xilanh 46 4.2.2 Động khí nén 48 4.3 Các phần tử hệ thống điều khiển điều khiển 49 4.3.1 Van đảo chiều 49 4.3.2 Van áp suất 53 4.3.3 Van tiết lưu 54 4.3.4 Van chặn 56 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ ỨNG DỤNG 58 5.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén 58 5.1.1 Khái niệm 58 5.1.2 Phần tử mạch logic 59 5.1.3 Biểu diễn phần tử logic khí nén 61 5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén 62 5.2.1 Biểu đồ trạng thái 62 5.2.2 Sơ đồ chức 62 5.2.3 Lưu đồ tiến trình 63 66 ... 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... 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 cấu... Giả thiết khí nén hệ thống gần khí lí tưởng phương trình trạng thái nhiệt nhiệt tổng qt khí nén (1.8) Trong đó: Pabs: áp suất tuyệt đối (bar) V: Thể tích khí nén (m3) M: khối lượng khơng khí (kg)