Giáo trình tự động hóa thủy khí đh bách khoa hà nội

Chương I: Cơ sở lý thuyết 1.1 Lịch sử phát triển +/ 1920 ứng dụng lĩnh vực máy công cụ +/ 1925 ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: nông nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, giao thơng vận tải, hàng khơng, +/ 1960 đến ứng dụng tự động hóa thiết bị dây chuyền thiết bị với trình độ cao, có khả điều khiển máy tính hệ thống truyền động thủy lực với công suất lớn 1.2 Những ưu điểm nhược điểm hệ thống truyền động thủy lực 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 địi hỏi chăm sóc, bảo dưỡng) +/ Điều chỉnh vận tốc làm việc tinh vơ cấp, (dễ thực tự động hố 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 -1- +/ 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 dẫn +/ Khi khởi động, nhiệt độ hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi độ nhớt chất lỏng thay đổi 1.3 Định luật chất lỏng 1.3.1 Áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng ngoại lực) tác dụng lên phần tử chất lỏng khơng phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa Trong đó: ủ- khối lượng riêng chất lỏng; h- chiều cao cột nước; g- gia tốc trọng trường; pS- áp suất lực trọng trường; -2- pL- áp suất khí quyển; pF- áp suất tải trọng ngồi; A, A1, A2- diện tích bề mặt tiếp xúc; F- tải trọng ngồi 1.3.2 Phương trình dịng chảy liên tục Lưu lượng (Q) chảy đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) khơng đổi (const) Lưu lượng Q chất lỏng qua mặt cắt A ống toàn ống (điều kiện liên tục) Ta có phương trình dịng chảy sau: Q = A.v = số (const) (1.4) Với v vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A Nếu tiết diện chảy hình trịn, ta có: Q = Q2 hay v1.A1 = v2.A2 Vận tốc chảy vị trí 2: Trong đó: Q1[m3/s], v1[m/s], A1[m2], d1[m] lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dịng chảy đường kính ống vị trí 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: -3- Trong đó: áp suất thủy tĩnh áp suất thủy động trọng lượng riêng 1.4 Đơn vị đo đại lượng (Hệ mét) 1.4.1 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 củ kg/cm2 có mối liên hệ sau: 1kg/cm2 ≈ 0.1N/cm2 = 10N/cm2 = 105N/m2 (Trị số xác: 1kg/cm2 = 9,8N/cm2; để dàng tính tốn, ta lấy 1kg/cm2 = 10N/cm2) Ngồi ta cịn dùng: 1bar = 105N/m2 = 1kg/cm2 1at = 9,81.104N/m2 ≈ 10 5N/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) 1.4.2 Vận tốc (v) Đơn vị vận tốc m/s (cm/s) 1.4.3 Thể tích lưu lượng a Thể tích (V): m3 lít(l) b Lưu lượng (Q): m3/phút l/phút -4- Trong cấu biến đổi lượng dầu ép (bơm dầu, động dầu) dùng đơn vị m3/vòng l/vòng 1.4.4 Lực (F) đơn vị lực Newton (N) 1N = 1kg.1m/s2 1.4.5 Công suất (N) đơn vị công suất 1W = 1Nm/s = 1m2.kg/s2 1.5 Các dạng lượng +/ Mang lượng: dầu +/ Truyền lượng: ống dẫn, đầu nối +/ Tạo lượng chuyển đổi thành dạng lượng khác: bơm, động dầu (mô tơ thủy lực), xilanh truyền lực 1.5.1 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến -5- 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 Q2 = A2.v1 Lực: Ft = p1.A1 Công suất cấu chấp hành: Công suất thủy lực : Nếu bỏ qua tổn thất từ bơm đến cấu chấp hành N ≈ N bơm Nếu tính đến tổn thất thì: Chuyển động lùi (hành trình chạy khơng) Nếu tải trọng Ft= áp lực p2 thắng lực masat: p2 A2 ≥ Fc -6- Lưu lượng : Q = A2.v2 Q’2 = A1.v2 ≠ Q2 Do A1> A2 nên => v2 > v1 1.5.2 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay Công suất cấu chấp hành: -7- Hoặc : Công suất thủy lực : 1.6 Tổn thất tron hệ thống truyền động thủy lực Trong hệ thống truyền động thủy lực có loại tổn thất sau: 1.6.1 Tổn thất thể tích Loại tổn thất dầu thủy lực chảy qua khe hở phần tử hệ thống gây nên Nếu áp suất lớn, vận tốc nhỏ, độ nhớt nhỏ tổn thất lớn Tổn thất thể tích đáng kể cấu biến đổi lượng (bơm dầu, động dầu, xilanh truyền lực) Đối với bơm dầu: tổn thất thể tích thể hiệu suất sau: ỗtb = Q/Q0 Q - Lưu lượng thực tế bơm dầu Q0 - Lưu lượng danh nghĩa bơm Nếu lưu lượng chảy qua động dầu Q0đ lưu lượng thực tế Qđ = q đ.ỗđ hiệu suất đơng dầu là: ỗtđ = Q0đ/Qđ 1.6.2 Tổn thất khí Tổn thất khí ma sát chi tiết có chuyển động tương đối bơm dầu động dầu gây nên Tổn thất khí bơm biểu thị hiệu suất khí: ỗcb = N /N N0- Cơng suất cần thiết để quay bơm (công suất danh nghĩa), tức công suất cần thiết để đảm bảo lưu lượng Q áp suất p dầu, đó: -8- N - Công suất thực tế đo trục bơm (do mômen xoắn trục) Đối với dầu : Do : Từ đó, tổn thất khí hệ thống thủy lực là: 1.6.3 Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất giảm áp suất lực cản đ−ờng chuyển động dầu từ bơm đến cấu chấp hành (động đầu, xilanh truyền lực) Tổn thất phụ thuộc vào yếu tố sau: +/ Chiều dài ống dẫn +/ Độ nhẵn thành ống +/ Độ lớn tiết diện ống dẫn +/ Tốc độ chảy +/ Sự thay đổi tiết diện +/ Sự thay đổi hướng chuyển động +/ Trọng lượng riêng, độ nhớt Nếu p áp suất hệ thống, p1 áp suất ra, tổn thất biểu thị hiệu suất: Hiệu áp ∆p trị số tổn thất áp suất Tổn thất áp suất lực cản cục gây nên tính theo cơng thức sau: -9- Trong đó: ủ- khối lượng riêng dầu (914kg/m3); g- gia tốc trọng trường (9,81m/s2); v- vận tốc trung bình dầu (m/s); ợ- hệ số tổn thất cục bộ; l- chiều dài ống dẫn; d- đường kính ống 1.6.4 ảnh hưởng thơng số hình học đến tổn thất áp suất a Tiết diện dạng tròn Nếu ta gọi: ∆p - Tổn thất áp suất; l ủ - Chiều dài ống dẫn; - Khối lượng riêng chất lỏng; Q - Lưu lượng; D - Đường kính; - Độ nhớt động học; - Hệ số ma sát ống; ởLAM - Hệ số ma sát chảy tầng ởTURB - Hệ số ma sát chảy rối ⇒ Tổn thất: - 10 - - Trong hệ thống phụ trợ, hệ thống thủy lực có cơng suất nhỏ, thường khơng q 3~3,5 kw - Hiệu suất hệ thống điều chỉnh khoảng 0,65~0,67 4.2 Điều chỉnh thể tích Loại điều chỉnh thực cách đưa vào hệ thống thủy lực lưu lượng dầu cần thiết để đảm bảo vận tốc định Lưu lượng dầu thay đổi với việc dùng bơm dầu pittông cánh gạt điều chỉnh lưu lượng Đặc điểm hệ thống điều chỉnh vận tốc thể tích tải trọng không đổi, công suất cấu chấp hành tỷ lệ với lưu lượng bơm Vì thế, loại điều chỉnh dùng rộng rãi máy cần thiết công suất lớn khởi động, tức cần thiết lực kéo mômen xoắn lớn Ngồi dùng rộng rãi hệ thống thực chuyển động thẳng chuyển động quay vận tốc giảm, công suất cần thiết giảm Tóm lại: ưu điểm phương pháp điều chỉnh thể tích đảm bảo hiệu suất ruyền động cao, dầu bị làm nóng, bơm dầu điều chỉnh lưu lượng có kết cấu phức tạp, chế tạo đắt bơm dầu có lưu lượng khơng đổi - 78 - Thay đổi Q cách thay đổi qb bơm Qb = q b.n Ta thấy: Thay đổi độ lệch tâm e (xê dịch vòng trượt) ⇒ q b thay đổi ⇒ Qb thay đổi 4.3 ổn định vận tốc 4.3.1 Lý phải ổn định vận tốc Trong cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ xác cao, hệ thống điều chỉnh đơn giản trình bày khơng thể đảm bảo được, khơng khắc phục nguyên nhân gây không ổn định chuyển động, tải trọng không thay đổi, độ đàn hồi dầu, độ rò dầu thay đổi nhiệt độ dầu Ngoài nguyên nhân trên, hệ thống thủy lực làm việc khơng ổn định cịn thiếu sót kết cấu (như cấu điều khiển chế tạo khơng xác, lắp ráp khơng thích hợp, ) Do đó, muốn cho vận tốc ổn định, trì trị số điều chỉnh hệ thống điều chỉnh vận tốc kể cần lắp thêm phận, thiết bị để loại trừ ảnh hưởng nguyên nhân làm ổn định vận tốc Ta xét số phương pháp thường dùng để ổn định vận tốc cấu chấp hành Để giảm ảnh hưởng thay đổi tải trọng, phương pháp đơn giản phổ biến dùng ổn định vận tốc (gọi tắt ổn tốc) Bộ ổn tốc dùng hệ thống điều chỉnh vận tốc tiết lưu, hay hệ thống điều chỉnh thể tích đường vào đường - 79 - cấu chấp hành (Như ta biết lắp đường dùng rộng rãi hơn) 4.3.2 Bộ ổn tốc lắp đường vào cấu chấp hành Phương trình cân van giảm áp ta có: phụ thuộc vào lực loxo Mà: Vì c, ỡ, Ax hệ số không thay đổi, hiệu áp suất Äp không phụ thuộc vào tải trọng => v = const (khơng phụ thuộc vào tải trọng ngồi) - 80 - Giải thích: giả sử FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông van giảm áp sang trái ⇒ cửa van giảm áp mở rộng ⇒ p3 ↑ để dẫn đến ∆p = const Trên đồ thị: +/ Khi p1 ↑ ⇒ p3 ↑ ⇒ ∆p = const ⇒ v = const +/ Khi p = p0, tức cửa van mở hết cở (tại A đồ thị), tiếp tục ↑ FL ⇒ p1 ↑ mà p3 = p1 không tăng ⇒ ∆p = p3 - p1 (p3 = p0) ↓ ⇒ v ↓ đến p1 = p3 = p0 ⇒ ∆p = ⇒ v = 4.3.3 Bộ ổn tốc lắp đường cấu chấp hành +/ Phương trình cân van giảm áp ta có: => - 81 - Như Äp trước sau van tiết lưu phụ thuộc vào Flx mà khơng phụ thuộc vào tải trọng ngồi => vận tốc CCCH khơng phụ thuộc vào tải trọng +/ Giả sử: FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ p3 ↓ ⇒ pittông van giảm áp sang phải ⇒ cửa mở rộng ⇒ p3 ↑ để ∆p = const Trên đồ thị: Khi FL = ⇒ p2 = p - pms ⇒ v = v0 Khi FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ van giảm áp trì p3 để ∆p = const ⇒ v = const Nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p2 = p3 (tại A đồ thị), tăng ⇒ p2 = p3 ↓ = ⇒ ∆p = ⇒ v = 4.3.4 ổn định tốc độ điều chỉnh thể tích kết hợp với tiết lưu đường vào Lưu lượng bơm điều chỉnh cách thay đổi độ lệch tâm e Khi làm việc, stato bơm có xu hướng di động sang trái tác dụng áp suất dầu buồng nén gây nên Ta có phương trình cân lực stato (bỏ qua ma sát): Flx + p1.F1 - p0.F2 - k.p0 = (k: hệ số điều chỉnh bơm) Nếu ta lấy hiệu tiết diện: F1 - F2 = k ⇔ F1 = F2 + k (*) ⇔ Flx + p1.(F2 + k) - p0.F2 - k.p0 = ⇔ Flx = F2.(p0 - p1) + k.(p0 - p1) - 82 - (*) ⇔ Flx = (F2 + k).(p0 - p 1) Ta có lưu lượng qua van tiết lưu: Từ công thức ta thấy: Lưu lượng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc trưng p1, p 0) Giả sử: FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông điều chỉnh đẩy stato bơm sang phải ⇒ e ↑ ⇒ p ↑ ⇒ ∆p = p0 - p1 = const - 83 - Chương 5: Đồng làm việc nhiều cấu chấp hành •Đồng bộ: - Cùng pha (cùng vào, ra) - Ngược pha 5.1 Đồng khí 5.2 Đồng tốc tiết lưu Tiết lưu đường dầu ra, Cả điều chỉnh van tiết lưu đạt đường - 84 - 5.3 Điều chỉnh bơm Sử dụng bơm thay đổi lưu lượng để điều chỉnh 5.4 Liên hệ ngược khí Khi tải lệch => trượt trượt => điều chỉnh khe hở => thay đổi lưu lượng TH khơng có giữa: => càn bàn máy nặng => tạo tải trọng giả - 85 - 5.5 Liên hệ ngược điện ĐC N’1 theo N1 N’2 theo N2 Liên hệ ngược điện: van sécvô+ liên hệ ngược => cấu sécvô ĐC để V1 = V2 -đo tốc độqua Q Lý tưởng: F1 = F2 => lưu lượng Q F1F2 => không Q => đc hỉnh Q khó - 86 - Chương VI: Các phần tử điều khiển khí nén • Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển khơng khí nén từ máy nén khí đến khâu cuối để sử dụng: động khí nén, máy ép dùng khơng khí nén, máy nâng dùng khơng khí nén, máy rung dùng khơng khí nén, dụng cụ cầm tay dùng khơng khí nén hệ thống điều khiển khơng khí nén (cơ cấu chấp hành, phần tử điều khiển ) • Truyền tải khơng khí nén thực hệ thống ống dẫn khí nén, cần phân biệt mạng đường ống lắp ráp cố định (như nhà máy) mạng đường ống lắp ráp thiết bị, máy - 87 - - 88 - - 89 - - 90 - - 91 - TàI LIệU THAM KHảO [1] Nguyễn Ngọc Cẩn, 1974, “Truyền động dầu ép máy cắt kim loại”, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Hồng Thị Bích Ngọc, 2007, “Máy thủy lực thể tích”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [3] Ngơ Sỹ Lộc, 1977, “Truyền động thủy lực thể tích”, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Wolansky,W.andAkers,A.,1988, “Modern Hydraulics the Basics at Work”,Amalgam Publishing Company, SanDiego,CA [5.] Merritt,H.E.,1967, “Hydraulic Wiley&Sons, NewYork, NY - 92 - Control Systems”,John ... v1 1.5.2 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay Công suất cấu chấp hành: -7- Hoặc : Công suất thủy lực : 1.6 Tổn thất tron hệ thống truyền động thủy lực Trong... bình trích chứa thủy khí có ngăn chia đàn hồi, nên sử dụng khí nitơ, cịn khơng khí làm cao su mau hỏng Ngun tắc hoạt động bình trích chứa loại gồm có hai q trình q trình nạp trình xả - 46 - -... Tạo lượng chuyển đổi thành dạng lượng khác: bơm, động dầu (mô tơ thủy lực), xilanh truyền lực 1.5.1 Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến -5- Tính