Bài giảng Kỹ thuật thủy lực và khí nén: Phần 1 ĐH Phạm Văn Đồng

(NB) Bài giảng Kỹ thuật thủy lực và khí nén: Phần 1 với 3 chương chính trình bày về Đại cương về truyền động thủy lực, cơ cấu biến đổi năng lượng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh. Mời các bạn cùng tham khảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ BÀI GIẢNG MÔN HỌC KỸ THUẬT THỦY LỰC VÀ KHÍ NÉN Ths Đào Minh Đức Quảng Ngãi, 12 - 2018 LỜI NĨI ĐẦU Ở nước ta nay, cơng nghiệp hóa – đại hóa bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt khí – tự động hóa có nhiều bước phát triển vượt bậc, góp phần củng cố xây dựng sở vật chất hạ tầng cho kinh tế Góp phần vào nỗ lực này, cán bộ, giảng viên toàn thể sinh viên đại học Phạm Văn Đồng bước đổi mới, nâng cao trình độ chun mơn, nhằm tạo bước chuyển lớn đào tạo nâng cao chất lượng tạo Từ yêu cầu trên, tập hợp từ nhiều tài liệu để biên tập thành giảng Tài liệu sử dụng cho sinh viên lớp đại học tín với thời lượng 30 tiết Tài liệu giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc thành phần hệ thống thủy lực - khí nén Các phương pháp điều khiển sử dụng hệ thống thủy lực khí nén Tơi hy vọng tài liệu thiết thực cho bạn sinh viên chun nghành Cơng Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí Kỹ thuật Cơ điện tử trường đại học Phạm Văn Đồng Trong trình biên soạn, chắn tài liệu khơng tránh khỏi có sai sót Mọi góp ý xin gửi địa Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ - Trường Đai học Phạm Văn Đồng Tôi xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC .3 CHƯƠNG 1:ĐẠI CƯƠNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 1.1 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 1.1.1 Ưu điểm 1.1.2 Nhược điểm 1.2 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG .8 1.2.1 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến 1.2.2 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay 1.3 ĐƠN VỊ ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 10 1.3.1 Áp suất 10 1.3.2 Vận tốc (v) 10 1.3.3 Thể tích lưu lượng 10 1.3.4 Lực .11 1.3.5 Công suất .11 1.4 TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 11 1.4.1 Tổn thất thể tích 11 1.4.2 Tổn thất khí .11 1.4.3 Tổn thất áp suất 12 1.5 ĐỘ NHỚT VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI DẦU THỦY LỰC .13 5.1 Độ nhớt .13 1.5.2 Yêu cầu dầu thủy lực .14 CHƯƠNG 2: CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 15 2.1 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 15 2.1.1 Nguyên lý chuyển đổi lượng 15 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng 15 2.1.3 Cơng thức tính toán bơm động dầu 17 2.1.4 Các loại bơm 19 2.1.5 Bơm bánh 20 2.1.6 Bơm trục vít 22 2.1.7 Bơm cánh gạt .23 2.1.8 Bơm pittông 24 2.2 XYLANH THỦY LỰC 27 2.2.1 Nhiệm vụ 27 2.2.2 Phân loại 27 2.2.3 Cấu tạo xilanh 29 2.2.4 Tính tốn xilanh truyền lực 30 CHƯƠNG 3: CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH 33 3.1 VAN ĐIỀU CHỈNH ÁP SUẤT 33 3.1.1 Nhiệm vụ 33 3.1.2 Phân loại 33 3.2 VAN ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG 39 3.2.1 Van tiết lưu 39 3.2.2 Bộ ổn tốc 41 3.3 VAN ĐIỀU KHIỂN 43 3.3.1 Van đảo chiều 43 3.3.2 Các loại van điện thủy lực ứng dụng mạch điều khiển tự động 46 CHƯƠNG 4: ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH VẬN TỐC 52 4.1 ĐIỀU CHỈNH BẰNG TIẾT LƯU 52 4.1.1 Điều chỉnh tiết lưu đường vào 53 4.1.2 Điều chỉnh tiết lưu đường 54 4.2 ĐIỀU CHỈNH BẰNG THỂ TÍCH 55 4.3 ỔN ĐỊNH VẬN TỐC 56 4.3.1 Bộ ổn tốc lắp đường vào cấu chấp hành 57 4.3.2 Bộ ổn tốc lắp đường cấu chấp hành 58 4.3.3 Ổn định tốc độ điều chỉnh thể tích kết hợp với tiết lưu đường vào 59 4.4 THIẾT BỊ PHỤ TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC 60 4.4.1 Bể dầu 60 4.4.2 Bộ lọc dầu 61 4.4.3 Đo áp suất lưu lượng 64 4.4.4 Bình trích chứa 66 4.4.5 Ống dẫn, ống nối 68 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 71 5.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 71 5.1.1 Lịch phát triển hệ thống truyền động khí nén .71 5.1.2 Khả ứng dụng khí nén 72 5.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ CÁC LOẠI VAN KHÍ NÉN 73 5.2.1 Cơ cấu chấp hành 73 5.2.2 Van đảo chiều 75 5.2.3 Van chặn 83 5.2.4 Van tiết lưu 84 5.2.5 Van điều chỉnh thời gian .85 5.2.6 Van chân không 85 5.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 86 5.3.1 Biểu đồ trạng thái 86 5.3.2 Các phương pháp điều khiển .87 5.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN 92 5.4.1 Các phần tử điện 92 5.4.2 Mạch điều khiển điện khí nén .93 TÀI LIỆU THAM KHẢO .96 CHƯƠNG ĐẠI CƯƠNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 1.1 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 1.1.1 Ưu điểm - Truyền động công suất cao lực lớn nhờ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, địi hỏi chăm sóc, bảo dưỡng - Điều chỉnh vận tốc làm việc tinh không cấp nhờ thiết bị điều khiển kỹ thuật số hóa, dễ thực tự động hóa theo điều kiện làm việc chương trình cho sẵn - Kết cấu nhỏ gọn, nối kết thiết với dễ dàng việc đổi chỗ mối nối ống - Dễ biến đổi chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến cấu chấp hành - Có khả giảm khối lượng kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao - Nhờ quán tính nhỏ bơm động thủy lực, nhờ tính chịu nén dầu nên sử dụng vận tốc cao mà khơng sợ bị va đập mạnh trường hợp khí hay điện - Dễ theo dõi quan sát áp kế, hệ mạch phức tạp - Tự động hóa đơn giản dùng phần tử tiêu chuẩn hóa - Dễ đề phịng q tải nhờ van an toàn 1.1.2 Nhược điểm - Mất mát đường ống dẫn rò rỉ bên phần tử, làm giảm hiệu suất phạm vi ứng dụng - Khó giữ vận tốc khơng đổi phụ tải thay đổi tính nén dầu tính đàn hồi đường ống dẫn - Nhiệt độ độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ xác điều khiển - Khả lập trình tích hợp hệ thống nên khó khăn thay đổi chương trình làm việc - Khi khởi động, nhiệt độ hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi độ nhớt chất lỏng thay đổi 1.2 NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG 1.2.1 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến Hình 1.1 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến Tính tốn sơ bộ: - Thơng số cấu chấp hành: Ft v(v1, v2) Chuyển động tịnh tiến (hành trình làm việc) - Các phương trình Lưu lượng: Q1 = A1.v1 (1.1) Ft = p1.A1 (1.2) Q2 = A2.v1 Lực: Công suất cấu chấp hành: N  Công suất thủy lực: N  Ft v1 [kW] 60.10 p1 Q1 [kW] 60.10 (1.3) (1.4) Hình 3.5: Kết cấu van giảm áp Ví dụ: Mạch thủy lực có lắp van giảm áp Hình 3.6: Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp 37 Trong hệ thống này, xilanh làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh Áp suất p2 điều chỉnh nhờ van giảm áp Ta có lực cân van giảm áp: p2.A = Flx (Flx = C.x) => p2  C x => A=const, x thay đổi => p2 thay đổi A 3.1.2.3 Van cản Van cản có nhiệm vụ tạo nên sức cản hệ thống => hệ thống ln có dầu để bơi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập Ký hiệu: Hình 3.7: Mạch thủy lực có lắp van cản Trên hình 3.7, van cản lắp vào cửa xilanh có áp suất p2 Nếu lực lị xo van Flx tiết diện pittông van A, lực cân tĩnh là: p2.A - Flx =0 => p2  Flx A (3.1) Như ta thấy áp suất cửa (tức cản cửa ra) điều chỉnh tùy thuộc vào điều chỉnh lực lò xo Flx 3.1.2.4 Rơle áp suất (áp lực) 38 Rơle áp suất thường dùng hệ thống thủy lực Nó dùng cấu phịng q tải, áp suất hệ thống vượt giới hạn định, rơle áp suất ngắt dòng điện => Bơm dầu, van hay phận khác ngưng hoạt động 3.2 VAN ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG Cơ cấu chỉnh lưu lượng dùng để xác định lượng chất lỏng chảy qua đơn vị thời gian, điều chỉnh vận tốc cấu chấp hành hệ thống thủy lực làm việc với bơm dầu có lưu lượng cố định 3.2.1 Van tiết lưu Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dầu, điều chỉnh vận tốc cấu chấp hành hệ thống thủy lực Van tiết lưu đặt đường dầu vào đường cấu chấp hành Van tiết lưu có hai loại: - Tiết lưu cố định Ký hiệu: - Tiết lưu thay đổi lưu lượng Ký hiệu: Hình 3.8: Van tiết lưu Ví dụ: Hình 3.8 sơ đồ van tiết lưu lắp đường hệ thống thủy lực Cách lắp dùng phổ biến nhất, van tiết lưu thay chức 39 van cản, tạo nên áp suất định đường xylanh làm cho chuyển động êm Hình 3.9: Sơ đồ thủy lực có lắp van tiết lưu đường dầu Ta có phương trình: Q2 = A2.v : lưu lượng qua van tiết lưu Δp = p2 - p3 : hiệu áp qua van tiết lưu Lưu lượng dầu Q2 qua khe hở tính theo cơng thức Torricelli sau: Q2   Ax 2.g  A2 v   Ax c p => v  p [m /s] (3.2)  c      const    2.g  Ax c p (3.3) A2 Trong đó: - μ: hệ số lưu lượng; - Ax : diện tích mặt cắt khe hở: A1   d [m ]; - Δp = (p2 - p3): áp suất trước sau khe hở [N/m ]; - ρ: khối lượng riêng dầu [kg/m ] Khi Ax thay đổi => Δp thay đổi v thay đổi 40 Hình 3.10: Độ chênh lệch áp suất lưu lượng dòng chảy qua khe hở Dựa vào phương thức điều chỉnh lưu lượng, van tiết lưu phân thành hai loại chính: van tiết lưu điều chỉnh dọc trục van tiết lưu điều chỉnh quanh trục a Van tiết lưu điều chỉnh dọc trục Hình 3.11: Tiết lưu điều chỉnh dọc trục Ax  2 rt AB AB  h sin  h sin  cos   Ax  2 h.r sin  rt  r  b Van tiết lưu điều chỉnh quanh trục Hình 3.12: Van tiết lưu điều chỉnh quanh trục 3.2.2 Bộ ổn tốc 41 Bộ ổn tốc cấu đảm bảo hiệu áp không đổi giảm áp (Δp = const), đảm bảo lưu lượng khơng đổi chảy qua van, tức làm cho vận tốc cấu chấp hành có giá trị gần không đổi Như để ổn định vận tốc ta sử dụng ổn tốc Bộ ổn tốc van ghép gồm có: van giảm áp van tiết lưu Bộ ổn tốc lắp đường vào đường cấu chấp hành van tiết lưu, phổ biến lắp đường cấu chấp hành Ký hiệu: Hình 3.13: Kết cấu ổn tốc Điều kiện để ổn tốc làm việc là: p1 > p2 > p3 > p4 Ta có phương trình cân tĩnh: A p3  p4 A  Flx  p  p3  p4  Q2   Ax c p  k Flx A Flx A (3.4) (3.5) Q2 không phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào Flx => v ổn định 42 Hình 3.14: Sơ đồ thủy lực có lắp ổn tốc 3.3 VAN ĐIỀU KHIỂN 3.3.1 Van đảo chiều 3.3.1.1 Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở ống dẫn để khởi động cấu biến đổi lượng, dùng để đảo chiều chuyển động cấu chấp hành 3.3.1.2 Các khái niệm - Số cửa: số lỗ để dẫn dầu vào hay Số cửa van đảo chiều thường 2, 4, Trong trường hợp đặc biệt số cửa nhiều - Số vị trí: số định vị trượt van Thông thường van đảo chiều có vị trí Trong trường hợp đặc biệt số vị trí nhiều 3.3.1.3 Nguyên lý làm việc a Van đảo chiều cửa, vị trí (2/2) Hình 3.15: Van đảo chiều 2/2 43 b Van đảo chiều cửa, vị trí (3/2) Hình 3.16: Van đảo chiều 3/2 c Van đảo chiều cửa, vị trí (4/2) Hình 3.17: Van đảo chiều 4/2 Ký hiệu: - P: cửa nối bơm; - T: cửa nối ống xả thùng dầu; - A, B: cửa nối với cấu điều khiển hay cấu chấp hành; - L: cửa nối ống dầu thừa thùng 3.3.1.4 Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều biểu diễn hai phía, bên trái bên phải ký hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc nịng van đảo chiều 44 a Loại tín hiệu tác động tay Ký hiệu nút ấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Hình 3.18: Các ký hiệu cho tín hiệu tác động tay b Loại tín hiệu tác động Đầu dò Cữ chặn lăn, tác động hai chiều Cữ chặn lăn, tác động chiều Lò xo Nút ấn có rãnh định vị Hình 3.19: Các ký hiệu cho tín hiệu tác động 3.3.1.5 Các loại mép điều khiển van đảo chiều Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, mép đóng mở cửa thân van nối với kênh dẫn dầu Van đảo chiều có mép điều khiển dương (hình 3.20a), sử dụng kết cấu đảm bảo rò dầu nhỏ, nịng van vị trí trung gian vị trí làm việc đó, địng thời độ cứng vững kết cấu (độ nhạy phụ tải) cao Van đảo chiều có mép điều khiển âm (hình 3.20b), loại van có mát chất lỏng chảy qua khe thơng thùng chứa, nịng van vị trí trung gian Loại van sử dụng khơng có u cầu cao rị chất lỏng, độ cứng vững hệ 45 Van đảo chiều có mép điều khiển khơng (hình 3.20c), sử dụng phần lớn hệ thống điều khiển thủy lực có độ xác cao (ví dụ van thủy lực tuyến tính hay cấu servo) Công nghệ chế tạo loại van tương đối khó khăn Hình 3.20: Các loại mép điều khiển van đảo chiều a Mép điều khiển dương;b Mép điều khiển âm;c Mép điều khiển không 3.3.2 Các loại van điện thủy lực ứng dụng mạch điều khiển tự động 3.3.2.1 Phân loại Có hai loại: - Van solenoid - Van tỷ lệ van servo 3.3.2.2 Cơng dụng a Van solenoid Dùng để đóng mở (như van phân phối thông thường), điều khiển nam châm điện Được dùng mạch điều khiển logic b Van tỷ lệ van servo Là phối hợp hai loại van phân phối van tiết lưu (gọi van đóng, mở nối tiếp), điều khiển vô cấp lưu lượng qua van Được dùng mạch điều khiển tự động 3.3.2.3 Van solenoid Cấu tạo van solenoid gồm phận là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.21) gồm có thân van, trượt hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp van thứ cấp điều khiển trượt dầu ép, nhờ tác động van sơ cấp Con trượt van hoạt động hai ba vị trí tùy theo tác động nam châm Có thể gọi van solenoid loại van điều khiển có cấp 46 Hình 3.21: Kết cấu ký hiệu van soleniod điều khiển trực tiếp 1, Cuộn dây nam châm điện; 3, Vít hiệu chỉnh lõi sắt từ; 4, Lò xo 3.3.2.4 Van tỷ lệ Cấu tạo van tỷ lệ có gồm ba phận (hình 3.22) : thân van, trượt, nam châm điện Để thay đổi tiết diện chảy van, tức thay đổi hành trình trượt cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm Có thể điều khiển trượt vị trí phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ gọi loại van điều khiển vơ cấp 47 Hình 3.22: Kết cấu ký hiệu van tỷ lệ Hình 3.22 kết cấu van tỷ lệ, van có hai nam châm 1, bố trí đối xứng, lị xo 10 12 phục hồi vị trí cân trượt 11 3.3.2.5 Van servo a Nguyên lý làm việc 48 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý phận điều khiển trượt van servo Bộ phận điều khiển trượt van servo (torque motor) thể hình 3.23 gồm phận sau: - Nam châm vĩnh cửu; - Phần ứng hai cuộn dây; - Cánh chặn đàn hồi; - Ống đàn hồi; - Miệng phun dầu Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng có hai cuộn dây cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên kết cấu cứng vững Định vị phần ứng cánh chặn dầu ống đàn hồi, ống có tác dụng phục hồi cụm phần ứng cánh chặn vị trí trung gian dòng điện vào hai cuộn dây cân Nối với cánh chặn dầu đàn hồi, nối trực tiếp với trượt Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch phần ứng bị hút lệch, đối xứng cực nam châm mà phần ứng quay Khi phần ứng quay, ống đàn hồi biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu thay đổi (phía hở phía hẹp lại) Điều dẫn đến áp suất hai phía trượt lệch trượt di chuyển Như vậy: - Khi dòng điện điều khiển hai cuộn dây phần ứng, cánh, trượt vị trí trung gian (áp suất hai buồng trượt cân nhau) - Khi dịng i1 ≠ i2 phần ứng quay theo chiều tùy thuộc vào dịng điện cuộn dây lớn Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ, 49 cánh chặn dầu quay theo làm tiết diện chảy miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng khe hở miệng phun phía phải hẹp lại áp suất dầu vào hai buồng trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy trượt di chuyển bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua van) Mômen quay phần ứng mômen lực đàn hồi cân Lượng di chuyển trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây - Tương tự phần ứng quay theo chiều ngược lại trượt di chuyển theo chiều ngược lại b Kết cấu van servo Ngoài kết cấu thể hình 3.22, van cịn bố trí thêm lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường van Để trượt vị trí trung gian tín hiệu vào khơng, tức để phần ứng vị trí cân bằng, người ta đưa vào kết cấu vít điều chỉnh Các hình 3.24 kết cấu số loại van servo sử dụng 50 Hình 3.24: Bản vẽ thể kết cấu ký hiệu van servo a, b Bản vẽ thể dạng kết cấu van servo; c Ký hiệu van servo CÂU HỎI ƠN TẬP 1) Giải thích ngun lý làm việc van an tồn? 2) Giải thích ngun lý làm việc van giảm áp? 3) Giải thích nguyên lý làm việc van tiết lưu? 4) Giải thích nguyên lý làm việc van solenoid? 5) Giải thích nguyên lý làm việc van Servo? 51 ... 10 1. 3.4 Lực .11 1. 3.5 Công suất .11 1. 4 TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 11 1. 4 .1 Tổn thất thể tích 11 1. 4.2 Tổn thất khí .11 ... phương trình Lưu lượng: Q1 = A1.v1 (1. 1) Ft = p1.A1 (1. 2) Q2 = A2.v1 Lực: Công suất cấu chấp hành: N  Công suất thủy lực: N  Ft v1 [kW] 60 .10 p1 Q1 [kW] 60 .10 (1. 3) (1. 4) Nếu bỏ qua tổn thất... 15 2 .1 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC 15 2 .1. 1 Nguyên lý chuyển đổi lượng 15 2 .1. 2 Các đại lượng đặc trưng 15 2 .1. 3 Cơng thức tính tốn bơm động dầu 17 2 .1. 4 Các