Bài giảng Công nghệ khí nén và thủy lực ứng dụng

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM TRƯỜNG CĐ GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH - BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ỨNG DỤNG BIÊN SOẠN: NGÔ THỊ KIM UYỂN TRẦN THỊ TRÀ MI LƯU HÀNH NỘI BỘ- NĂM 2017 GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC a Vị trí, tính chất mơn học Mơn học thực sau học xong môn học, mô-đun sau: Ngoại ngữ; Cơ kỹ thuật; Vật liệu khí; Vẽ kỹ thuật Thực hành nguội bản; Thực hành hàn bản; Dung sai lắp ghép đo lường kỹ thuật; Điện kỹ thuật, điện tử Môn học bố trí giảng dạy học kỳ khóa học bố trí dạy song song với môn học, mô-đun sau: thực tập nghề mô-đun tự chọn b Mục tiêu môn học: Kiến thức chuyên môn Môn học cung cấp kiến thức để phục vụ cho môn chuyên ngành Học xong môn học học viên có khả năng: - Trình bày đầy đủ khái niệm, yêu cầu, nhiệm vụ quy luật truyền dẫn lượng truyền động khí nén thủy lực - Giải thích sơ đờ cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống truyền động bằng khí nén thủy lực - Trình bày cấu tạo nguyên tắc hoạt động loại máy nén khí bơm thủy lực - Nhận dạng cấu tạo loại truyền động bằng khí nén thủy lực ô tô Kỹ nghề - Kỹ lắng nghe; kỹ làm việc nhóm; kỹ lập kế hoạch tổ chức công việc; - Kỹ tìm kiếm, tổng hợp, phân tích đánh giá thông tin; - Kỹ sử dụng công nghệ thông tin Thái độ lao động - Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, tỉ mỉ, xác thực công việc - Thái độ biết lắng nghe, ham học hỏi, hứng thú với công nghệ - Thái độ cầu tiến, biết tuân thủ nội quy, quy chế trường, lớp Các kỹ cần thiết khác Bình tĩnh, tự tin biết kết hợp làm việc theo nhóm Nội dung mơn học Chương 1: Khái niệm quy luật truyền động bằng khí nén Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén Chương 3: Khái niệm quy luật truyền động bằng thủy lực Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển không ngừng lĩnh vực tự động hóa, ngày thiết bị truyền dẫn, điều khiển thủy lực sử dụng máy móc trở nên rộng rãi nhiều lĩnh vực 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, … đặc biệt ngành ô tô ngày sử dụng nhiều chiếm vị trí quan trọng Những thiết bị thủy lực làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo xác, cơng suất lớn với kích thước nhỏ gọn đặt dễ dàng nơi chật hẹp so với thiết bị truyền động điều khiển khí hay điện Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên hệ cao đẳng chun ngành Ơtơ có kiến thức tốt để tiếp cận nhanh chóng với thiết bị hệ thống điều khiển thủy lực thực tế Giáo trình biên soạn với nội dung sau: Chương 1: Khái niệm quy luật truyền động bằng khí nén Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén Chương 3: Khái niệm quy luật truyền động bằng thủy lực Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực Giáo trình biên soạn cho đối tượng sinh viên Cao đẳng ngành Cơng nghệ Ơ tơ tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh TCCN, CĐN kỹ thuật viên làm việc hãng sửa chữa garage tơ Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tập thể cán giảng dạy Khoa Kỹ Thuật Ơ tơ Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải TpHCM đóng góp ý kiến kinh nghiệm để hồn thiện giáo trình Mặc dù cố gắng không tránh khỏi khiếm khuyết Nhóm tác giả mong nhận ý kiến đóng góp người sử dụng để lần tái sau giáo trình hồn chỉnh Mọi ý kiến đóng góp xin gởi Khoa Kỹ Thuật Ơ tô Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM – Số – Nguyễn Ảnh Thủ - P Trung Mỹ Tây – Q12 – TpHCM Nhóm tác giả CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VÀ CÁC QUY LUẬT TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 1.1 KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ NÉN Bên cạnh chất lỏng thủy lực nước dầu, khí nén mơi chất mang lượng tín hiệu quan trọng kỹ thuật thủy khí Trong hệ thống truyền động khí nén mơi chất khơng khí nén – chất “lỏng” chịu nén Như lấy khơng khí từ mơi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt động động khí nén xy lanh khí nén lại thải mơi trường Khí nén ứng dụng từ lâu, cách 2000 năm, người ta biết tạo khí nén, lưu trữ khí nén sử dụng làm mơi chất mang lượng Vào quãng kỷ thứ thứ trước công nguyên Alexandrie nhà khí Ktesibios Heron phát minh thiết bị máy móc hoạt động bằng khí nén Tuy nhiên lịch sử phát triển kỹ thuật khí nén có bước thăng trầm Một mặt trình độ kỹ thuật công nghệ thời kỳ trước chưa tương xứng, mặt khác cịn có cạnh tranh gay gắt hệ thống truyền lượng khác động nhiệt, truyền động điện… mà đến năm gần kỹ thuật khí n n lại có vai trị xứng đáng sản xuất Thời kỳ bùng nổ kỹ thuật khí n n bắt đầu với phát triển mạnh mẽ kỹ thuật điều khiển tự động hóa trình sản xuất, có tham gia kỹ thuật điện tử kỹ thuật tính đại Ngày khí nén tham gia vào hầu hết lĩnh vực sản xuất chế tạo máy, xây dựng, kỹ thuật xe hơi, kỹ thuật y học, kỹ thuật rơ bot, khai khống… 1.1.1 KHÁI NIỆM 1.1.1.1 Khái niệm hệ thống truyền động khí nén Là hệ thống truyền động lấy khơng khí từ mơi trường ngồi, nén lại truyền dẫn làm hoạt động động khí nén xy lanh khí nén lại thải mơi trường 1.1.1.2 Sản xuất khí nén Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào ng̀n cung cấp khí nén, ng̀n khí phải sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với áp suất định thích hợp cho lượng hệ thống a Máy nén khí Máy nén khí máy có nhiệm vụ thu hút khơng khí, ẩm, khí đốt áp suất định tạo ng̀n lưu chất có áp suất cao b Các loại máy nén khí cơng suất nhỏ thường sử dụng Máy nén khí phân loại theo áp suất theo nguyên lý hoạt động Đối với nguyên lý hoạt động ta có: - Máy nén theo ngun lý thể tích: máy nén pít tơng, máy nén khí kiểu trục vít, máy nén cánh gạt - Máy nén tuốc bin dùng cho công suất lớn không kinh tế sử dụng lưu lượng mức 600m3/ph Vì khơng mang lại áp suất cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén sử dụng c Ứng dụng máy nén khí cơng nghệ Chế tạo – Bão dưỡng tô − Điều khiển hệ thống phanh dẫn động bằng khí nén tơ, điều khiển hệ thống đóng (mở) cửa tự động bằng khí nén xe buýt, điều khiển hệ thống treo dẫn động bằng khí nén tơ, … − Máy nén khí sử dụng trang thiết bị bão dưỡng sữa chữa ô tô: súng bắn hơi, súng vặn vít, tuốc nơ vít, máy khoan, máy bơm hơi, máy nâng hạ, cần cẩu… Hình 1.1: Máy nén khí tơ ❖ Máy nén kiểu piston Máy nén piston (hình 1.2) máy nén phổ biến cung cấp suất đến 500m3/ph Máy nén piston nén khí khoảng 6bar ngoại lệ đến 10bar; máy nén kiểu piston hai cấp nén đến 15bar; 3-4 cấp lên đến 250bar Hình 1.2 Máy nén khí kiểu piston Máy nén khí kiểu piston tơ (hình 1.3) có cấu tạo tương tự máy nén khí Fusheng, Puma hay Palada…được dùng cơng nghiệp, bao gờm: Mặt bích, Vỏ máy nén, Van hút, van áp suất, Piston, Đĩa cam, Mặt bích chặn, Đầu trục truyền động, Đĩa bị động, Buly, 10 Bulông xả mơi chất Hình 1.3: Máy nén khí kiểu piston ô tô ❖ Máy nén khí kiểu trục vít Máy nén trục vít làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích Thể tích khơng gian hai kề vỏ thay đổi trục trục vít quay Do rôto chế tạo dạng trục vít nên điểm nén dịch chuyển từ cửa nạp đến cửa đẩy Phần máy nén trục vít gờm rơ to: rơ to rơto phụ 1, (hình 1.4) Số đầu mối ren rơ to xác định thể tích làm việc máy, có nghĩa thể tích khơng khí vào vịng quay Số đầu mối ren lớn thể tích làm việc nhỏ Số đầu mối ren hai rô to khác cho hiệu suất cao Hình 1.4 Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít Hình 1.5 Q trình hút, nén đẩy máy nén trục vít ❖ Máy nén kiểu cánh gạt (Rotary compressors) Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu cánh gạt mơ tả hình 1.6: khơng khí vào buồng hút Nhờ rôto stato đặt lệch tâm, nên rôto quay chiều sang phải, thì khơng khí vào b̀ng nén Sau khí nén b̀ng đẩy Hình 1.6 Máy nén khí kiểu cánh gạt 1.1.1.3 Phân phối khí nén a Phân phối khí nén Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển khơng khí nén từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p lưu lượng Q chất lượng khí nén cho thiết bị làm việc, ví dụ van, động khí, xy lanh khí… Hình 1.7 Hệ thống, thiết bị phân phối khí nén Truyền tải khơng khí nén thực bằng hệ thống ống dẫn khí nén, ý hệ thống ống dẫn khí mạng đường ống lắp ráp cố định (trong toàn nhà máy) mạng đường ống lắp ráp thiết bị, máy mô tả hình 1.7 Đối với hệ thống phân phối khí nén ngồi tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn thông số hệ thống ống dẫn (đường kính ống, vật liệu ống); cách lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phân phối đóng vai trò quan trọng phương diện kinh tế yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khí nén ❖ Bình nhận trích khí nén Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén máynén khí chuyển đến, trích chứa, ngưng tụ tách nước trước chuyển đến nơi tiêu thụ Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào cơng suất máy nén khí, cơng suất tiêu thụ thiết bị sử dụng vàphương pháp sử dụng khí nén Bình trích chứa khí nén đặt nằm ngang, nằm đứng Đường ống khí nén nằm vị trí cao bình trích chứa (hình 1.8) Hình 1.8 Các loại bình trích chứa khí nén ❖ Đường ống Đường ống dẫn khí nén có đường kính vài milimet trở lên Chúng làm bằng vật liệu cao su, nhựa kim loại Thơng số kích thước ống (đường kính bên trong) phụ thuộc vào: vận tốc dòng chảy cho phép, tổn thất áp suất cho phép, áp suất làm việc, chiều dài ống, lưu lượng, hệ số cản trở dòng chảy phụ kiện nối ống b Các yếu tố - Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q = v F) Vận tốc dòng chảy lớn, tổn thất áp suất ống lớn - Vận tốc dòng chảy: vận tốc dịng chảy khí nén ống dẫn nên chọn từ 6÷10m/s Vận tốc dịng chảy qua chỗ lượn cua ống nối ống, van, nơi có tiết diện nhỏ lại tăng lên, hay vận tốc dòng chảy tăng lên thời thiết bị hay máy móc vận hành - Tổn thất áp suất: tốt không vượt 0.1bar Thực tế sai số cho phép đến 5% áp suất làm việc Như tổn thất áp suất 0.3bar chấp nhận với áp suất làm việc bar - Hệ số cản dòng chảy: lưu lượng khí qua chỗ nối khớp, van, khúc cong gây tượng cản dòng chảy Bảng 1, biểu thị hệ số cản tương đương chiều dài ống dẫn l’ phụ kiện nối a- Dòng chảy từ A1 qua B1 từ A2 qua B2 ( van chiều); b- Từ B2 A2 phải có tín hiệu điều khiển A1; c- Ký hiệu Kết cấu van tác động khoá l n, thực lắp hai van chiều điều khiển hướng chặn Khi dòng chảy từ A1 qua B1 từ A2 qua B2 theo nguyên lý van chiều Nhưng dầu chảy từ B2 A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1 dầu chảy từ B1 A1 thì phải có tín hiệu điều khiển A2 CHƯƠNG 4: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 4.1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI 4.1.1 Nhiệm vụ Biến đổi lượng dầu thủy lực dạng (áp suất lưu lượng Q) thành dạng mô men quay hay chuyển động tịnh tiến 4.1.2 Yêu cầu Tất phận hệ thống thủy lực có yêu cầu kỹ thuật định − Các thông số kỹ thuật hệ thống phải thõa mãn yêu cầu làm việc như: − + Chuyển động thẳng: tải trọng F, vận tốc (v, v'), hành trình x, ; + Chuyển động quay: momen xoắn MX, vận tốc (n,); Các cấu chấp hành, cấu biến đổi lượng, cấu điều khiển điều chỉnh, phần lớn thiết bị phụ khác hệ thống thủy lực tiêu chuẩn hóa − Đảm bảo độ bền, độ tin cậy, giá thành thấp 4.1.3 Phân loại − Mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến − Mạch thủy lực chuyển động quay 4.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 4.2.1 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch điều khiển thủy lực chuyển động quay 4.2.1.1 Sơ đồ hệ thống Hệ thủy lực thực chuyển động quay phân tích hệ thống thủy lực chuyển động thẳng Mômen xoắn tác động lên trục động dầu bao gờm: + Mơmen qn tính Ma = J. [Nm] (J - mơmen qn tính khối lượng phụ tải[Nms2]; +  - gia tốc góc trục quay phụ tải [rad/s2].) + Mômen ma sát phần tử chuyển động phụ tải MD [Nm] + Mơmen tải trọng ngồi ML [Nm] + Mơmen xoắn tổng cộng Mx là: Mx = Ma+ MD + ML [Nm] Hình 4.1 Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực chuyển động quay Q1,Q2 – Lưu lượng đầu vào đầu động thủy lực 4.2.1.2 Nguyên lý hoạt động Khi van đảo chiều trạng thái a, dầu từ bơm vào cữa bên trái động thủy lực đồng thời cữa bên phải thông với đường tháo Do động tạo mơ men quay Khi van đảo chiều trạng thái b, đóng kín hai đường dầu đến hai cữa, động thủy lực đứng yên vị trí trung gian Lúc dầu từ bơm qua van tràn lại thùng chứa Khi van đảo chiều trạng thái c, dầu từ bơm vào cữa bên phải động thủy lực đồng thời cữa bên trái thơng với đường tháo Do động tạo mô men quay theo chiều ngược lại 4.2.2 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch điều khiển thuỷ lực chuyển động tịnh tiến 4.2.2.1 Sơ đồ hệ thống Trong đó: p - Áp suất dầu thủy lực Q - lưu lượng dầu thủy lực qua ống Ft - ngoại lực tác động lên cần đẩy x – hành trình dịch chuyển piston D, d – đường kính piston cần đẩy Hình 4.2 Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến 4.2.2.2 Nguyên lý hoạt động Khi van đảo chiều trạng thái a, dầu từ bơm vào khoang trái xy lanh lực đồng thời khoang phải xy lanh thơng với đường tháo Do piston-cần đẩy tịnh tiến theo chiều từ trái qua phải Khi van đảo chiều trạng thái b, đóng kín hai đường dầu đến hai khoang xy lanh lực nên piston-cần đẩy đứng yên vị trí trung gian Lúc dầu từ bơm qua van tràn lại thùng chứa Khi van đảo chiều trạng thái c, dầu từ bơm vào khoang phải xy lanh lực đồng thời khoang trái xy lanh thơng với đường tháo Do piston-cần đẩy tịnh tiến theo chiều từ phải qua trái 4.2.3 Sơ đồ cấu tạo số mạch điều khiển thông dụng 4.2.3.1 Máy dập thủy lực điều khiển tay Hình 4.3 Máy dập điều khiển tay 0.1- Bơm; 0.2- Van tràn; 0.3 - áp kế; 1.0- Xy lanh; 1.1- Van chiều; 1.2- Van đảo chiều 3/2, điều khiển tay gạt; Khi có tín hiệu tác động bằng tay, xy lanh A mang đầu dập xuống Khi thả tay ra, xilanh lùi 4.2.3.2 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công Khi tác động bằng tay, pittông mang hàm kẹp di động ra, kẹp chặt chi tiết Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, pittông lùi về, hàm kẹp mở Để cho xilanh chuyển động tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết lưu chiều Trên sơ đồ, van tiết lưu chiều đặt đường van tiết lưu đặt đường vào Hình 4.4 Cơ cấu kẹp chi tiết gia cơng Xy lanh; Chi tiết; Hàm kẹp Khi tác động bằng tay, piston mang hàm kẹp di động ra, kẹp chặt chi tiết Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, piston lùi về, hàm kẹp mở Để cho xy lanh chuyển động tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết lưu chiều Trên sơ đồ, van tiết lưu chiều đặt đường van tiết lưu đặt đường vào (hãy so sánh hai cách này) Hình 4.5 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 - Bơm; 0.2- Van tràn; 0.3- Áp kế; 1.1- Van đảo chiều 4/2, điều khiển tay gạt;1.2- Van tiết lưu chiều; 1.0- Xy lanh 4.2.3.3 Máy khoan bàn Hình 4.6 Máy khoan bàn Hệ thống thủy lực điều khiển hai xy lanh Xy lanh A mang đầu khoan xuống với vận tốc điều chỉnh trình khoan, xilanh B làm nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết trình khoan Khi khoan xong, xy lanh A mang đầu khoan lùi về, sau xy lanh B lùi mở hàm kẹp, chi tiết tháo Hình 4.7 Sơ đồ mạch thủy lực cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1- Bơm; 0.2- Van tràn;1.1- Van đảo chiều 4/2, điều khiển tay gạt;1.2- Van giảm áp; 1.0- Xy lanh A; 1.3- Van chiều;2.1- Van đảo chiều 4/3, điều khiển tay gạt; 2.2- Bộ ổn tốc; 2.3- Van chiều; 2.4- Van cản; 2.5- Van chiều;2.6Van tiết lưu; 2.0- Xy lanh B 4.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THỦY LỰC Máy thủy lực từ dùng để máy làm việc bằng cách trao đổi lượng với chất lỏng theo nguyên lý thủy lực học nói riêng học chất lỏng nói chung, ví dụ: loại dùng động để vận chuyển chất lỏng (BƠM); tuabin nước nhận lượng dòng nước để biến thành máy làm việc (ĐỘNG CƠ THỦY LỰC) Theo nguyên lý tác dụng máy thủy lực với dòng chất lỏng trình làm việc, người ta chia Máy thủy lực thành nhiều loại khác nhau, chủ yếu có loại chính: Máy thủy lực cánh dẫn Máy thủy lực thể tích 4.3.1 Máy thủy lực cánh dẫn 4.3.1.1 Phân loại - Dựa vào cột áp thì ta có: bơm cột áp thấp (60mH20) - Phân loại theo số bánh công tác lắp nối tiếp bơm: + Bơm cấp: cột áp bị hạn chế số vòng quay sức bền cánh dẫn (cột áp thường