Hệ thống điều khiển nhiều xi lanh

Chương 3 Thiết kế hệ thống điều khiển bằng dầu ép

3.3. Hệ thống điều khiển nhiều xi lanh

Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công của máy khoan bàn được điều khiển với yêu cầu công nghệ theo hình sau:

Hình 3.13. Cơ cấu kẹp chi tiết gia công của máy khoan bàn

Hình 3.14. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công của máy khoan 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 1.1. Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.2. Van giảm

áp; 1.0 Xilanh A; 1.3. Van một chiều; 2.1. Van đảo chiều 4/3, điều khiển bằng tay gạt;

2.2. Bộ ổn tốc; 2.3. Van một chiều; 2.4. Van cản; 2.5. Van một chiều; 2.6. Van tiết lưu;

2.0. Xilanh B.

Nguyên lý hoạt động:

Câu hỏi và bài tập chương 3

1.Thiết kế mạch ép gia nhiệt tự động với yêu cầu kỹ thuật như sau:

Khi nút nhấn S1 được tác động thì pittông ép đi xuống và chạm vào công tắc hành trình S2 thì bắt đầu gia nhiệt với thời gian t. Sau đó trở về vị trí ban đầu và chạm vào công tắc hành trình S3 thì quá trình tiếp tục lại từ đầu. Trong quá trình thực hiện nếu nhấn nút S4 thì píttông sẽ quay về vị trí ban đầu.

2. Thiết kế mạch thủy lực điều khiển máy dập khuôn kim loại (Hình 3.15), với yêu cầu kü thuËt sau:

Lúc đầu, đầu dập ở vị trí chờ (S1), khi đưa chi tiết cần dập vào ta ấn nút S3,

đầu dập tịnh tiến đi xuống và dập chi tiết, khi S2 bị tác động thì đầu dập quay về.

Trong quá trình gia công nếu xảy ra sự cố, ấn nút S4 đầu dập sẽ ở lại vị trí đó.

Hình 3.15. Sơ đồ công nghệ máy dập khuôn kim loại 3. Thiết bị lắp ráp có độ dôi

Thiết kế mạch điều khiển thủy lực của cơ cấu dùng để lắp ráp có độ dôi, với yêu cầu kỹ thuật như sau:

Đưa chi tiết cần lắp vào vị trí lắp, ấn nút S1 cơ cấu tịnh tiến xuống lắp và ép chặt chi tiết đến khi đủ áp suất 20 bar, đèn H sáng, thì cơ cấu tự quay về. Nếu trong quá trình gia công xảy ra sự cố thì ấn nút S2 cơ cấu quay về vị trí ban đầu.

4. Cơ cấu cấp phôi theo kiện

Thiết kế mạch điều khiển thủy lực cấp phôi theo khối kiện nhiều sản phẩm, với yêu cầu kỹ thuật sau:

Nhấn nút 1S cơ cấu đẩy phôi hoạt động từ vị trí giới hạn S1 đến giới hạn S2 để

đẩy sản phẩm. Khi công tắc S2 tác động thì pittông đẩy trở về vị trí ban đầu và thực hiện tiếp lần đẩy mới. Đẩy đúng 12 phôi thì ngừng ở vị trí ban đầu. Trong quá trình đẩy phôi có vấn đề thì nhấn nút 2S và trở về vị trí ban đầu.

5. Hệ thống ép thủy lực được dùng để lắp ráp các chi tiết thành sản phẩm được mô tả

như Hình 3.16. Khi nhấn nút khởi động S1 thì pittông ép thực hiện lắp ráp chi tiết cho

đến áp suất đạt đến 3Mpa thì pittông trở về vị trí ban đầu gặp 1S1 thì dừng. Trong quá

trình ép hoặc trở về nếu nút Stop (S2) được nhấn thì pit tông dừng lại. Nếu S1 lại được nhấn thì pit tông sẽ tiếp tục hành trình còn lại. Hãy thiết kế mạch động lực, và vẽ sơ đồ mạch điều khiển

Hình 3.16. Sơ đồ công nghệ hệ thống ép thủy lực 6. Một máy ép thủy lực có sơ đồ mạch thủy lực như Hình 3.17.

Điều gì sẽ xảy ra khi bơm vẫn hoạt động và tạo ra một lưu lượng khi van điều khiển

đảo chiều ở vị trí a và xy lanh duỗi ra hết hành trình.

a 0 b

A B

P T

P T

Z 1

1.1

M

Hình 3.17. Hệ thống điều khiển dầu ép cho 1 xy lanh

PhÇn 2

Hệ thống truyền động khí nén

Chương 4 : Đại cương về truyền động khí nén

4.1. Quá trình phát triển và khả năng ứng dụng của khí nén 4.1.1 Quá trình phát triển của truyền động khí nén

ứng dụng khí nén đã có từ thời trước Công Nguyên, tuy nhiên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu… còn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế.

Đến thế kỷ thứ XIX, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt

được phát minh. Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn

đón một vai trò cốt yếu ở những linh vực mà khi sử dụng điện sẽ không an toàn. Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: Búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy.

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ. Những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp khí nén với

điện - điện tử sẽ quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai.

4.1.2 Khả năng ứng dụng của khí nén a. Trong lĩnh vực điều khiển

+ Vào những thập niên 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

+ Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao.

+ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất.

b. Hệ thống truyền động

+ Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vự khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng (xây dựng hầm mỏ, đường hÇm,...).

+ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển

động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô.

+ Truyền động quay: truyền động xilanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén.

+ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: được dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm.

4.2. Cấu trúc và đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén 4.2.1 Cấu trúc của hệ thống truyền động khí nén

Sơ đồ nguyên lý truyền động

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển và các phần tử 4.2.2 Đặc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

1. ¦u ®iÓm

+ Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.

+ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nÐn.

+ Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển.

+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn.

+ Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần

lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẳn đường dẫn khí nén.

+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.

+ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ...) có cấu tạo

đơn giản và giá thành không đắt.

+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp.

2. Nhược điểm

+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp.

+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. (Không thể thực hiện được những chuyển

động thẳng hoặc quay đều).

+ Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn.

4.3. Tính chất của khí nén và đơn vị đo lường 4.3.1 Tính chất của khí nén

- Mức độ sạch: Không khí nén sạch ngay cả trong trường hợp lưu thông trong các đường ống hay thiết bị. Không một nguy cơ gây bẩn nào phải lo tới. Điều này đặc biệt cần thiết trong các ngành công nghiệp: Thực phẩm, vải sợ, lâm sản...

- Vận tốc: Không khí nén có thể lưu thông với tốc độ rất cao. Vận tốc công tác của các xi lanh khí nén thường trong khoảng 1 đến 2 m/s, trong một số trường hợp có thể đạt 5 m/s.

- Tính dễ điều chỉnh: Vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác dùng khí nén

được điều chỉnh một cách vô cấp.

- Cách xử lý: Không khí nén phải được chuẩn bị sao cho không chứa bụi bẩn, tạp chất và nước vì chúng làm cho các phần tử khí nén chóng mòn.

- Tính chịu nén: Khong khí có tính nén được, cho phép thay đổi và điều chỉnh vận tốc của Piston.

- Lực tác dụng: Không khí được nén sẽ không kinh tế nếu chưa đạt được công suất nhất định, áp suất làm việc thường được chấp nhận là 7 bar. Lực tác dụng được giới hạn trong khoảng 20000 đến 30000 N (20000 đến 30000 KP). Độ lớn của lực tác

- Thoát khí: Không khí nén xả ra ngoài tạo âm thanh gây ồn, nhưng nhờ các bộ giảm thanh gắn ở từng đường thoát nên vấn đề này đã được giải quyết.

- Giá thành: Không khí nén là một nguồn năng lượng dồi dào, đơn giản và sẵn có nên hệ thống sử dụng có giá thành thấp.

4.3.2 Đơn vị đo lường của khí nén 1. áp suất

Đơn vị đo cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là pascal. 1 pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1 N.

1 Pa = 1 N/m2

1 Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/ms2 1 Pa = 10-6 Mpa

Ngoài ra ta còn dùng đơn vị là bar.

1 bar = 105 Pa 2. Lùc

Đơn vị của lực là Newton (N).

1 N là lực tác dụng lên đối trọng có khối lượng 1 kg với gia tốc 1 m/s2. 1 N = 1 kg.m/s2

3. Công suất

Đơn vị của công suất là Watt.

1 Watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule.

1 W = 1 Nm/s

4.4. Các định luật cơ bản của khí nén 4.4.1. Định luật Boyle - Mariotte

Định luật Boyle - Mariotte đã phát biểu: Một lượng khí nhất định ở nhiệt độ không thay đổi thì áp suất tuyệt đối tỷ lệ nghịch với thể tích (V) hoặc thể tích riêng (v).

t(T) = Const (4-1)

ta có: p.V = Const hoặc p.v = Const (4-2)

Điều đó có nghĩa là tích giữa áp suất và thể tích là hằng số đối với một lượng khí xác định (p tăng thì V giảm).

p1.V1= p2.V2= p3.V3= Const (4-3) 4.4.2. Định luật Gay - Lussac

Một lượng khí nhất định ở điều kiện áp suất không đổi thì thể tích (V) hay thể tích riêng (v) và nhiệt độ tuyệt đối (T) tỷ lệ thuận với nhau.

p = Const (4-4)

Ta cã: VT Const hay

2 1 2

1 T

T V

V  (4-5)

Sự thay đổi thể tích V là:

V = V2 - V1 = V1.

1 1

2 )

( T

T T 

Ta cã: V2 = V1 + V = V1+

1

T1

V (T2 - T1) (4-6)

4.4.3. Các phương trình cơ bản của khí lý tưởng 1. Phương trình trạng thái

- Phương trình trạng thái của chất khí thể hiện mối quan hệ giữa các thông số trạng thái (p.v.T).

- Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng: Phương trình trạng thái

tổng quát là: p.v = R.T (4-7)

Trong đó: p(N/m2) - áp suất tuyệt đối

v(m3/kg) - Thể tích riêng  v1(kg/m3)

(kg/m3) - Khối lượng riêng của chất khí

R (J/kgK) - Hằng số khí (của không khí là 29,27) T(K) - Nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin)

Đối với khối khí có khối lượng là G (kg), sau khi nhân hai vế của phương trình (4-7) víi G, ta cã:

p.v.G = G.R.T hay p.V= G.R.T Trong đó: G(kg) - Khối lượng (v.G = V)

p.V= G.R.T (4-8) 2. Phương trình Bernulli

Theo hình 4.2 ta có áp suất tại một điểm chất lỏng đang chảy:

(4-9)

Hình 4.2. áp suất tại một điểm chất lỏng 4.4.4. Các tổn thất trong hệ thống khí nén

1. Tổn thất áp suất p:

p = 10..2g.v2 (N/m2) (4-10) Trong đó:

 - Khối lượng riêng (kg/m3) v – VËn tèc trung b×nh (m/s)

 - Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc vào thực nghiệm, nhiệt độ, vận tốc, hướng chảy, hình dạng, tiết diện.

G – Gia tốc trọng trường.

2. Tổn thất cơ khí c

Là tổn thất do ma sát giữa các chi tiết cơ khí trong khi chuyển động tương đối víi nhau.

3. Tổn thất thể tích v

Là tổn thất rò rỉ không khí khi di chuyển qua các chỗ (chi tiết) ghép nối.

Câu hỏi và bài tập chương 4

1. Cấu trúc và đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén.

2. Tính chất của khí nén và đơn vị đo lường.

3. Các định luật cơ bản của khí nén.

4. Phạm vi ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén.

5. Các loại tổn thất trong hệ thống điều khiển khí nén.

6. Các phương trình cơ bản của khí lý tưởng.

Chương 5

Các phần tử trong hệ thống truyền động khí nén

5.1. Máy nén khí và thiết bị xử lý 5.1.1. Hệ thống tạo nguồn khí nén

- Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí được, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén.

1.Nguyên tắc hoạt động

- Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại. Như vậy theo định luật Boy - Mariotte, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên. Các lọai máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu pit - tông, bánh răng, cánh gạt...

- Nguyên lý động năng: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén

được tạo ra bằng động năng bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn. Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như máy nén khí kiểu ly t©m.

2. Phân loại:

- Theo áp suất:

+ Máy nén khí áp suất thấp p < 15 bar.

+ Máy nén khí áp suất cao p > 15 bar.

+ Máy nén khí áp suất rất cao p > 300 bar.

- Theo nguyên lý hoạt động:

+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pít - tông, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.

+ Máy nén khí tua - bin: máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trôc.

5.1.2. Máy nén khí công nghiệp 1. Máy nén khí kiểu pitton:

- Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu pitton một cấp được biểu diễn trong h×nh 5.1.

Hình 5.2. Cấu tạo máy nén cánh gạt

- Máy nén khí kiểu pitton một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 m3/phút và áp suất nén từ 6 đến 10 bar. Máy nén khí kiểu pittonhai cấp có thể nén đến áp suất 15bar.

Loại máy nén khí kiểu pitton một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống

điềukhiển bằng khí nén trong công nghiệp. Máy nén khí kiểu pitton được phân loại theo cấp số nén, loại truyền

động và phương thức làm nguội khí nén. Ngoài ra người ta còn phân loại theo vị trí của pittông.

- Ưu điểm : Cứng vững, hiệu suất cao, kết cấu, vận hành đơn giản

- Khuyết điểm : Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn.

2. Máy nén kiểu cánh gạt

- NLHĐ: Không khí được hút vào buồng hút nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rôto quay theo chiều

sang phải, thì không khí sẽ vào buồng nén, sau đó khí nén sẽ vào buồng

- Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (Hình 5.2) bao gồm: thân máy (1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục. Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển

động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của

lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động. Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén được thực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân mỏy cú cỏc rónh để dẫn nước vào làm mỏt. Bỏnh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào.

- Ưu điểm : kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung - Khuyết điểm : hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu.

Hình 5.1. Nguyên lý hoạt động của máy nén khÝ kiÓu pitton 1 cÊp.

3. Máy nén kiểu trục vít

- Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay. Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên),

quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy.

- Cấu tạo gồm có hai trục: trục chính và trục phụ. Số răng (số đầu mối) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén). Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ

giảm. Số răng (số đầu mối) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn.

- Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 - 40.000 giờ);

nhỏ gọn, chạy êm.

- Khuyết điểm : Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế.

4. Máy nén kiểu Root

- Máy nén khí kiểu root gồm có hai hoặc ba cánh quạt (pittông có dạng hình số 8).

Các pittông đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trongquá

trình quay không tiếp xúc với nhau. Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa hai pít - tông, khe hở giữa phần quay và thân máy.

- Máy nén khí kiểu Root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thay đổi thể tích, mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau. Điều đó có nghĩa là: khi rôto quay được 1 vòng thì vẫn chưa tạo được áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rôto quay tiếp đến vòng thứ 2, thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng thứ 2, với nguyên tắc này tiếng ồn sẽ tăng lên.

Hình 5.4. Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu Root

Hình 5.3. Nguyên lý hoạt động máy nén kiểu trôc vÝt