Bài giảng Truyền động dầu ép và khí nén - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Lời nói đầu Cùng phát triển không ngừng lĩnh vực tự động hóa, ngày thiết bị truyền dẫn, điều khiển dầu ép khí nén sử dụng máy móc trở nên rộng rÃi hầu hết lĩnh vực công nghiệp máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy xây dựng, máy ép phun, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm, thiết bị làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn lắp đặt dễ dàng không gian chật hẹp so với thiết bị truyền động điều khiển khí hay điện Nhằm trang bị cho bạn đọc kiến thức tốt để tiếp cận nhanh chóng với thiết bị hệ thống điều khiển dầu ép khí nén thực tế Bằng kinh nghiệm tác giả đúc kết nhiều năm làm việc thực tiễn máy, công nghệ điều khiển số đại tác giả đà biên soạn sách Bài giảng Truyền động dầu ép khí nén tổng hợp từ kiến thức lĩnh vực liên quan Hy vọng qua nội dung bạn đọc tính toán, thiết kế, lắp đặt điều khiển hệ thống Truyền động dầu ép khí nén theo yêu cầu khác Trong trình biên soạn, tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến Tác giả Mục lục Lời nói đầu Phần Hệ thống truyền động dầu ép Ch­¬ng 1: Đại cương hệ thống truyền động dầu ép 1.1 Quá trình phát triển hệ thống truyền động dầu ép 1.2 Ưu nhược điểm hệ thống truyền động dầu ép 1.2.1 Ưu điểm 1.2.2 Nhược điểm 1.3 Các phương trình lưu chất 1.3.1 ¸p st thđy tÜnh 1.3.2 Phương trình dòng chảy liên tôc 1.3.3 Phương trình Bernulli 1.4 TÝnh chÊt vµ đặc điểm dầu 1.4.1 Đặc điểm dầu dïng hƯ thèng dÇu Ðp 1.4.2 Các đơn vị đo lường dÇu 10 1.5 Tỉn thÊt hƯ thèng dÇu Ðp 11 1.5.1 Tỉn thÊt thĨ tÝch 11 1.5.2 Tæn thÊt c¬ khÝ 11 1.5.3 Tỉn thÊt ¸p st 12 1.5.4 ảnh hưởng thông số hình học ®Õn tỉn thÊt ¸p st 12 Tiết diện dạng tròn 12 Câu hỏi tập chương 17 Chương 2: Các phần tử hệ thống điều khiển dầu ép 18 2.1 Cơ cấu biến đổi l­ỵng 18 2.1.1 Bơm dầu 18 2.1.2 Bơm bánh 19 2.1.3 Bơm cánh gạt 22 2.1.4 Bơm pittông 24 2.1.5 §éng dầu ép 27 2.1.6 C«ng thøc tÝnh toán bơm động dầu 29 2.1.7 Xi lanh truyÒn lùc 31 2.1.8 Xi lanh chuyển động thẳng: đơn, kép 33 2.1.9 Xi lanh m«men 34 2.1.10 TÝnh to¸n xilanh trun lùc 35 2.2 Cơ cấu điều khiển, điều chỉnh 37 92.2.1 Cơ cấu chỉnh áp (Van áp suất) 37 2.2.2 C¬ cÊu chØnh l­u l­ỵng .41 2.2.3 C¬ cÊu chØnh h­íng 49 2.2.4 C¬ cấu điều khiển dầu ép 59 2.3 Thiết bị phụ trợ 60 2.3.1 BĨ dÇu 60 2.3.2 Bé läc dÇu 62 2.3.3 èng dÉn, èng nèi 65 Câu hỏi tập chương .68 Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển b»ng dÇu Ðp 69 3.1 Điều chỉnh ổn định vận tốc 69 3.1.1 §iỊu chØnh b»ng tiÕt l­u 69 3.1.2 §iỊu chØnh b»ng thĨ tÝch .72 3.1.3 ổn định vận tốc 73 3.2 ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iỊu khiĨn xi lanh .76 3.2.1 Mơc ®Ých 76 3.2.2 Thiết kế hệ thống truyền động dầu ép 76 3.3 HÖ thèng ®iỊu khiĨn nhiỊu xi lanh .80 Câu hỏi tập chương .82 Phần Hệ thống truyền động khí nén 84 Chương 4: Đại cương truyền động khí nén 84 4.1 Quá trình phát triển khả ứng dụng khí nén 84 4.2 Cấu trúc đặc điểm hệ thèng trun ®éng khÝ nÐn 85 4.2.1 CÊu tróc cđa hƯ thèng trun ®éng khÝ nÐn 85 4.2.2 Đặc điểm cđa hƯ thèng trun ®éng b»ng khÝ nÐn .86 4.3 TÝnh chÊt cđa khÝ nÐn vµ đơn vị đo lường 87 4.3.1 TÝnh chÊt cña khÝ nÐn 87 4.3.2 Đơn vị đo lường khí nén 88 4.4 Các định luật khí nén 88 4.4.1 Định luật Boyle - Mariotte 89 4.4.2 Định luật Gay - Lussac .88 4.4.3 Các phương trình khí lý tưởng 88 4.4.4 C¸c tỉn thÊt hƯ thèng khÝ nÐn 90 Câu hỏi tập chương .95 Ch­¬ng 5: Các phần tử hệ thống truyền động khí nÐn 91 5.1 M¸y nÐn khÝ thiết bị xử lý 92 5.1.1 HƯ thèng t¹o nguån khÝ nÐn 92 5.1.2 Máy nén khí công nghiệp 92 5.1.3 ThiÕt bÞ xư lý khÝ nÐn 95 5.1.4 ThiÕt bị phân phối khí nén 97 5.2 Các phần tử hƯ thèng ®iỊu khiĨn 101 5.2.1 CÊu tróc hƯ thèng ®iỊu khiĨn 101 5.2.2 Van 101 5.2.3 Phần tử cảm biến 110 5.2.4 Cơ cấu chấp hành 113 C©u hái tập chương 116 Ch­¬ng ThiÕt kÕ hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng ®iƯn khÝ nÐn 117 6.1 C¬ së lý thut cđa ®¹i sè Boole 117 6.1.1 Các phép biến đổi hàm bieán 117 6.1.2 Các luật đại số Boole 117 6.2 C¸ch biểu diễn trình điều khiển 120 6.2.1 Biểu đồ chức 120 6.2.2 Biểu đồ trạng thái 121 6.2.3 Lưu đồ tiến trình 122 6.3 Phân loại phương pháp điều khiển 122 6.4 ThiÕt kÕ m¹ch khÝ nÐn 129 6.5 ứng dụng PLC vào điều khiển hệ thống dÇu Ðp, khÝ nÐn 136 6.5.1 Phần mềm Simatic S7 -300 138 6.5.2 Khai báo phần cứng thiết bị điều khiển lập trình PLC 141 6.5.3 Các bước thiết kế chương trình điều khiển 145 6.5.4 Viết chương trình điều khiển 146 6.5.5 Ví dụ 149 6.5.6 Bµi tËp: 152 C©u hỏi tập chương 159 Tµi liƯu tham kh¶o 166 PhÇn HƯ thống truyền động dầu ép Chương 1: Đại cương Hệ thống truyền động dầu ép 1.1 Quá trình phát triển hệ thống truyền động dầu ép Vào đầu kỷ XX, hệ thống truyền động dầu ép đà phát triển chia thành nhiều ngành chuyên sâu, ứng với kỹ thuật khác nhau, như: Dầu ép công trình xây dựng, dầu ép công nghệ chế tạo máy, dầu ép công nghệ đóng tàu, dầu ép công nghệ hóa học Ngoài ra, hệ thống truyền động dầu ép ngày gắn bó với học chất lỏng, phương pháp nghiên cứu thí nghiệm phương pháp nghiên cứu lý luận ngày kết hợp chặt chẽ với Đồng thời hình thành hệ thống phương pháp nghiên cứu vấn đề dầu ép, như: Phương pháp nghiên cứu phần tử chất lỏng; Phương pháp nghiên cứu trị số trung bình; Phương pháp tương tự; Phương pháp phân tích thứ nguyên; Phương pháp thực nghiệm v.v Những thành tựu học chất lỏng thúc đẩy việc nghiên cứu ứng dụng truyền động dầu ép Đó là: Lý thuyết nửa thực nghiệm rối với Pơranlơ, Taylo, Cácman; Sự phân bố vận tốc sức cản dòng rối ống Cácman Với thắng lợi Cách mạng xà hội chủ nghĩa Tháng 10 Nga vĩ đại đà giải phóng sức sản xuất đẩy mạnh công xây dựng kinh tế Cộng hòa Liên bang Nga, làm cho khoa học kỹ thuật nước có bước tiến vượt bậc Truyền động dầu ép Nga đà phát triển nhanh nhiều mặt đà đứng hàng đầu giới Việt Nam, sau Cách mạng tháng Tám năm 1945 thành công, hệ thống truyền động dầu ép đà ứng dụng lĩnh vực, như: Công trình thủy điện (Thác Bà, Nahan, suối Củn, Cấm Sơn), công trình thủy lợi, ngành công nghiệp, giao thông vận tải v.v Nội dung Truyền động dầu ép khí nén đà đưa vào giảng dạy, nội dung sở kỹ thuật cho đào tạo ngành kỹ thuật nước ta Từ năm 1960 đến nay, hệ thống truyền động dầu ép đà ứng dụng thiết bị, dây chuyền sản xuất tự động hóa với trình độ cao, có khả điều khiển máy tính hệ thống truyền động dầu ép với công suất lớn 1.2 Ưu nhược điểm hệ thống truyền động dầu ép 1.2.1 Ưu điểm Truyền động công suất cao lực lớn, (nhờ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao đòi hỏi chăm sóc, bảo dưỡng) Điều chỉnh vận tốc làm việc tinh vô cấp, (dễ thực tự động hoá theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn) Kết cấu gọn nhẹ, vị trí phần tử dẫn bị dẫn không lệ thuộc 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 không sợ bị va đập mạnh (như khí điện) Dễ biến đổi chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến cấu chấp hành Dễ đề phòng tải nhờ van an toàn Dễ theo dõi quan sát áp kế, kể hệ phức tạp, nhiều mạch Tự động hoá đơn giản, kể thiết bị phức tạp, cách dùng phần tử tiêu chuẩn hoá 1.2.2 Nhược điểm Mất mát đường ống dẫn rò rỉ bên phần tử, làm giảm hiệu suất hạn chế phạm vi sử dụng Khó giữ vận tốc không đổi phụ tải thay đổi tính nén chất lỏng tính đàn hồi đường ống dÉn Khi míi khëi ®éng, nhiƯt ®é cđa hƯ thèng chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi độ nhớt chất lỏng 1.3 Các phương trình lưu chất 1.3.1 áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng ngoại lực) tác dụng lên phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa thay đổi a) b) Hình 1.1 áp suất thủy tĩnh c) - Khối lượng riêng chất lỏng; h- Chiều cao cột n­íc; g- Gia tèc träng tr­êng; pS- ¸p st lùc träng tr­êng; pL- ¸p st khÝ qun; pF- ¸p suất tải trọng ngoài; A, A1, A2- Diện tích bề mặt tiếp xúc; F- Tải trọng 1.3.2 Phương trình dòng chảy liên tục Lưu lượng (Q) chảy ®­êng èng tõ vÞ trÝ (1) ®Õn vÞ trÝ (2) không đổi (const) Lưu lượng Q chất lỏng qua mặt cắt A ống toàn ống (điều kiện liên tục) Hình 1.2 Lưu lượng chảy đường ống Ta có phương trình dòng chảy sau: Q = A.v = h»ng sè (const) Víi v vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A Nếu tiết diện chảy hình tròn, ta có: Q1 = Q2 hay v1.A1 = v2.A2 (1.4) (1.5) VËn tèc chảy vị trí 2: (1.6) Trong đó: Q1[m3 /s], v1[m/s], A1[m2], d1[m] lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy đường kính ống vị trí 1; Q2[m3/s], v2[m/s], A2[m2], d2[m] lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy đường kính ống vị trí 1.3.3 Phương trình Bernulli Theo hình 1.3 ta có áp suất điểm chất lỏng chảy: (1.7) Hình 1.3 áp suất điểm chất lỏng chảy 1.4 Tính chất đặc điểm dầu 1.4.1 Đặc điểm dầu dùng hệ thống dầu ép Độ nhớt Độ nhớt nh÷ng tÝnh chÊt quan träng nhÊt cđa chÊt láng Độ nhớt xác định ma sát thân chất lỏng thể khả chống biến dạng trượt biến dạng cắt chất lỏng Có hai loại ®é nhít: a §é nhít ®éng lùc §é nhít động lực lực ma sát tính 1N 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] Ngoài ra, người ta dùng đơn vị poazơ (Poiseuille), viết tắt P 1P = 0,1N.s/m2 = 0,010193kG.s/m2 1P = 100cP (centipoiseuilles) Trong tÝnh to¸n kü thuËt th­êng sè quy tròn: 1P = 0,0102kG.s/m b Độ nhớt động lỏng: Độ nhớt động tỷ số hệ số nhớt động lực với khối lượng riêng chất (1.8) = / Đơn vị độ nhớt động [m2/s] Ngoài ra, người ta dùng đơn vị stốc (Stoke), viết tắt St centistokes, viết tắt cSt 1St = 1cm2/s = 10-4m2/s 1cSt = 10-2St = 1mm2/s c Độ nhớt Engler (E0) Độ nhớt Engler (E0) tỷ số quy ước dùng để so sánh thời gian chảy 200cm3 dầu qua ống dẫn có đường kính 2,8mm víi thêi gian ch¶y cđa 200cm3 n­íc cÊt ë nhiƯt ®é 200C qua èng dÉn cã cïng ®­êng kÝnh, ký hiệu: E0 = t/tn Độ nhớt Engler thường đo đầu nhiệt độ 20, 50, 1000C ký hiƯu t­¬ng øng víi nã: E020, E050, E0100 Yêu cầu dầu thủy lực Những tiêu để đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc độ nhớt, khả chịu nhiệt, độ ổn định tính chất hoá học tính chất vật lý, tính chống rỉ, tính ăn mòn chi tiết cao su, khả bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lữa, nhiệt độ đông đặc Chất lỏng làm việc 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 hoà (tính trơ) với bề mặt kim loại, hạn chế khả xâm nhập khí, dễ dàng tách khí ra; + Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít khe hở chi tiết di trượt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhÊt, cịng nh­ tỉn thÊt ma s¸t Ýt nhÊt; + Dầu phải sủi bọt, bốc làm việc, hoà tan nước không khí, dẫn nhiệt tốt, có môđun đàn hồi, hệ số nở nhiệt khối lượng riêng nhỏ Trong yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mÃn đầy đủ 1.4.2 Các đơn vị đo lường dầu áp suất (p) Theo đơn vị đo lường SI Pascal (pa) 1pa = 1N/m2 = 1m-1kgs-2 = 1kg/ms2 Đơn vị nhỏ, nên người ta thường dùng đơn vị: N/mm2, N/cm2 so với đơn vị áp suất cũ kg/cm2 có mối liên hệ sau: 1kg/cm2 0.1N/mm2 = 10N/cm2 = 105N/m2 (Trị số xác: 1kg/cm2 = 9,8N/cm2; để dễ dàng tính toán, ta lấy 1kg/cm2 = 10N/cm2) Ngoài ta dùng: bar = 105N/m2 = 1kg/cm21at = 9,81.104N/m2 ≈ 105N/m2 = 1bar (Theo DIN- tiêu chuẩn Cộng hòa Liên bang Đức 1kp/cm2 = 0,980665bar 0,981bar; 1bar 1,02kp/cm2 Đơn vị kG/cm2 tương đương kp/cm2) Vận tốc (v) Đơn vị vËn tèc lµ m/s (cm/s) ThĨ tÝch vµ l­u lượng a Thể tích (V): m3 lít(l) b Lưu lượng (Q): m3/phút l/phút Trong cấu biến đổi lượng dầu ép (bơm dầu, động dầu) dùng đơn vị m3/vòng l/vòng Lực (F) Đơn vị lực Newton (N) 1N = 1kg.m/s2 Công suất (N) Đơn vị công suất Watt (W) 10 ... 166 PhÇn HƯ thèng truyền động dầu ép Chương 1: Đại cương Hệ thống truyền động dầu ép 1.1 Quá trình phát triển hệ thống truyền động dầu ép Vào đầu kỷ XX, hệ thống truyền động dầu ép đà phát triển... thống truyền động dầu ép Chương 1: Đại cương hệ thống truyền động dầu ép 1.1 Quá trình phát triển hệ thống truyền động dầu ép 1.2 Ưu nhược điểm hệ thống truyền động dầu ép ... sâu, ứng với kỹ thuật khác nhau, như: Dầu ép công trình xây dựng, dầu ép công nghệ chế tạo máy, dầu ép công nghệ đóng tàu, dầu ép công nghệ hóa học Ngoài ra, hệ thống truyền động dầu ép ngày gắn