Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén

g thẳng (cần pittông, cần đẩy điều khiển con tr−ợt điều khiển với nam châm điện,...), th−ờng dùng vòng chắn có tiết diện chử V, với vật liệu bằng da hoặc bằng cao su. Trong tr−ờng hợp áp suất làm việc của dầu lớn thì bề dày cũng nh− số vòng chắn cần thiết càng lớn. 67 Ch−ơng 4: Điều chỉnh và ổn định vận tốc Điều chỉnh vận tốc chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực bằng cách thay đổi l−u l−ợng dầu chảy qua nó với hai ph−ơng pháp sau: +/ Thay đổi sức cản trên đ−ờng dẫn dầu bằng van tiết l−u. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng tiết l−u. +/ Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh l−u l−ợng của bơm cung cấp cho hệ thống thủy lực. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng thể tích. Lựa chọn ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− công suất truyền động, áp suất cần thiết, đặc điểm thay đổi tải trọng, kiểu và đặc tính của bơm dầu,... Để giảm nhiệt độ của dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống dầu ép, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống dầu ép l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. Do đó, nếu nh− không tính đến tổn thất thể tích và cơ khí thì toàn bộ năng l−ợng do bơm dầu tạo nên đều biến thành công có ích. 4.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u Do kết cấu đơn giản nên loại điều chỉnh này đ−ợc dùng nhiều nhất trong các hệ thống thủy lực của máy công cụ để điều chỉnh vận tốc của chuyển động thẳng cũng nh− chuyển động quay. Ta có: p.c.A.Q x ∆à= Khi Ax thay đổi ⇒ thay đổi ∆p ⇒ thay đổi Q ⇒ v thay đổi. ở loại điều chỉnh này bơm dầu có l−u l−ợng không đổi, và với việc thay đổi tiết diện chảy của van tiết l−u, làm thay đổi hiệu áp của dầu, do đó thay đổi l−u l−ợng dẫn đến cơ cấu chấp hành để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−ợng dầu thừa không thực hiện công có ích nào cả và nó đ−ợc đ−a về bể dầu. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết l−u trong hệ thống, ta có hai loại điều chỉnh bằng tiết l−u sau: +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. 4.1.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào Hình 4.1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. Van tiết l−u (0.4) đặt ở đ−ờng vào của xilanh (1.0). Đ−ờng ra của xilanh đ−ợc dẫn về bể dầu qua van cản (0.5). Nhờ van tiết l−u (0.4), ta có thể điều chỉnh hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u, tức là điều chỉnh đ−ợc l−u l−ợng chảy qua van tiết l−u vào xilanh, do đó làm thay đổi vận tốc của pittông. L−ợng dầu thừa chảy qua van tràn (0.2) về bể dầu. 68 Van cản (0.5) dùng để tạo nên một áp nhất định (khoảng 3ữ8bar) trong buồng bên phải của xilanh (1.0), đảm bảo pittông chuyển động êm, ngoài ra van cản (0.5) còn làm giảm chuyển động giật mạnh của cơ cấu chấp hành khi tải trọng thay đổi ngột. Nếu nh− tải trọng tác dụng lên pittông là F và lực ma sát giữa pittông và xilanh là Fms, thì ph−ơng trình cân bằng lực của pittông là: p1.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 ⇒ p1 = 1 msL 1 2 2 A FF A A .p ++ (4.1) Hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u: ∆p = p0 - p1 (4.2) Trong đó: p0 là áp suất do bơm dầu tạo nên, đ−ợc điều chỉnh bằng van tràn (0.2). Ph−ơng trình l−u l−ợng: Q qua van tiết l−u cũng là Q qua xilanh (bỏ qua rò dầu) p.c.A.v.AQ x1 ∆à== (4.3) Qua đây ta thấy: khi FL thay đổi ⇒ p1 thay đổi ⇒ ∆p thay đổi ⇒ Q thay đổi ⇒ v không ổn định. 0.1 1.0 1.1 0.2 0.3 p0 P T A B 0.5 0.4 Ax p2 p1 FL vA2A1 Hình 4.1. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào 4.1.2. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 0.2 0.1 1.0 1.1 0.3 p0 P T A B 0.4 Ax Q1 Q2 p3≈0 p1 p2 FL vA2A1 Hình 4.2. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 69 Hình 4.2 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. Van tiết l−u đảm nhiệm luôn chức năng của van cản là tạo nên một áp suất nhất định ở đ−ờng ra của xilanh. Trong tr−ờng hợp này, áp suất ở buồng trái xilanh bằng áp suất của bơm, tức là p1=p0. Ph−ơng trình cân bằng tĩnh là: p0.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 (4.4) Vì cửa van của tiết l−u nối liền với bể dầu, nên hiệu áp của van tiết l−u: ∆p = p2 - p3 = p2 ⇒ ∆p = p2 = 2 msL 2 1 0 A FF A A .p +− (4.5) 2x22 pc.A.A.vQ à== (4.6) Ta cũng thấy: FL thay đổi ⇒ p2 thay đổi ⇒ Q2 thay đổi và v thay đổi. Cả hai điều chỉnh bằng tiết l−u có −u điểm chính là kết cấu đơn giản, nh−ng cả hai cũng có nh−ợc điểm là không đảm bảo vận tốc của cơ cấu chấp hành ở một giá trị nhất định, khi tải trọng thay đổi. Th−ờng ng−ời ta dùng hai loại điều chỉnh này trong những hệ thống thủy lực làm việc với tải trọng thay đổi nhỏ, hoặc trong hệ thống không yêu cầu có vận tốc không đổi. Nh−ợc điểm khác của hệ thống điều chỉnh bằng tiết l−u là một phần năng l−ợng không dùng biến thành nhiệt trong quá trình tiết l−u, nhiệt l−ợng ấy làm giảm độ nhớt của dầu, có khả năng làm tăng l−ợng dầu rò, ảnh h−ởng đến sự ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. Vì những lý do đó, điều chỉnh bằng tiết l−u th−ờng dùng trong những hệ thống thủy lực có công suất nhỏ, th−ờng không quá 3ữ3,5 kw. Hiệu suất của hệ thống điều chỉnh này khoảng 0,65ữ0,67. 4.2. Điều chỉnh bằng thể tích Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hệu suất của hệ thống thủy lực, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống thủy lực l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−u l−ợng dầu có thể thay đổi với việc dùng bơm dầu pittông hoặc cánh gạt điều chỉnh l−u l−ợng. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng thể tích là khi tải trọng không đổi, công suất của cơ cấu chấp hành tỷ lệ với l−u l−ợng của bơm. Vì thế, loại điều chỉnh này đ−ợc dùng rộng rãi trong các máy cần thiết một công suất lớn khi khởi động, tức là cần thiết lực kéo hoặc mômen xoắn lớn. Ngoài ra nó cũng đ−ợc dùng rộng rãi trong những hệ thống thực hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay khi vận tốc giảm, công suất cần thiết cũng giảm. 70 Tóm lại: −u điểm của ph−ơng pháp điều chỉnh bằng thể tích là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, dầu ít bị làm nóng, nh−ng bơm dầu điều chỉnh l−u l−ợng có kết cấu phức tạp, chế tạo đắt hơn là bơm dầu có l−u l−ợng không đổi. e Q FL v Hình 4.3. Sơ đồ thủy lực điều chỉnh bằng thể tích Thay đổi Q bằng cách thay đổi qb của bơm Qb = qb.n Trên hình 4.3 ta thấy: Thay đổi độ lệch tâm e (xê dịch vòng tr−ợt) ⇒ qb sẽ thay đổi ⇒ Qb thay đổi. 4.3. ổn định vận tốc Trong những cơ cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ chính xác cao, thì các hệ thống điều chỉnh đơn giản nh− đã trình bày ở trên không thể đảm bảo đ−ợc, vì nó không khắc phục đ−ợc những nguyên nhân gây ra sự không ổn định chuyển động, nh− tải trọng không thay đổi, độ đàn hồi của dầu, độ rò dầu cũng nh− sự thay đổi nhiệt độ của dầu. Ngoài những nguyên nhân trên, hệ thống thủy lực làm việc không ổn định còn do những thiếu sót về kết cấu (nh− các cơ cấu điều khiển chế tạo không chính xác, lắp ráp không thích hợp,..). Do đó, muốn cho vận tốc đ−ợc ổn định, duy trì đ−ợc trị số đã điều chỉnh thì trong các hệ thống điều chỉnh vận tốc kể trên cần lắp thêm một bộ phận, thiết bị để loại trừ ảnh h−ởng của các nguyên nhân làm mất ổn định vận tốc. Ta xét một số ph−ơng pháp th−ờng dùng để ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. 71 Để giảm ảnh h−ởng thay đổi tải trọng, ph−ơng pháp đơn giản và phổ biến nhất là dùng bộ ổn định vận tốc (gọi tắt là bộ ổn tốc). Bộ ổn tốc có thể dùng trong hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u, hay ở hệ thống điều chỉnh bằng thể tích và nó có thể ở đ−ờng vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. (Nh− ta đã biết lắp ở đ−ờng ra đ−ợc dùng rộng rãi hơn). 4.3.1. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng vào của cơ cấu chấp hành p3 p2p1 A1 A2 FL FL Bp0 A p3 p1 L(p2+pms) v ∆p p v Tại van gi p3 ⇒ mà Giải thích giảm áp mở rộ Trên đồ th +/ Khi p v0 A ’ p0 Flx FL B’ Hình 4.4. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng vào ảm áp ta có: 0F 4 D. .p 4 D. . lx 2 1 2 =−π−π (4.7) 2lx13 D. 4 .Fppp π=−=∆ hiệu áp qua van tiết l−u. (4.8) p. A A..c A Q v 1 x 1 ∆à== = const (4.9) : giả sử FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông van giảm áp sang trái ⇒ cửa ra của van ng ⇒ p3 ↑ để dẫn đến ∆p = const. ị: p1 ≥ p2 + pms (pms = 1 ms A F ) (4.10) 1 ↑ ⇒ p3 ↑ ⇒ ∆p = const ⇒ v = const. 72 +/ Khi p3 = p0, tức là cửa ra của van mở hết cở (tại A trên đồ thị), nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p1 ↑ mà p3 = p1 không tăng nữa ⇒ ∆p = p3 - p1 (p3 = p0) ↓ ⇒ v ↓ và đến khi p1 = p3 = p0 ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.2. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành p0 Flx FL FL p0=p1 A’ B’ Pms v0 v p3 p2 p4 ≈ 0 p3 B A p1= p0 p A1 A2 FL v Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng ra +/ Tại van giảm áp ta có: 0F 4 D. .p lx 2 3 =−π (4.11) const D. 4 .F0pp 2lx3 =π=−=∆ . (4.12) +/ Giả sử: FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ p3 ↓ ⇒ pittông van giảm áp sang phải ⇒ cửa ra mở rộng ⇒ p3 ↑ để ∆p = const. Trên đồ thị: Khi FL = 0 ⇒ p2 = p0 - pms ⇒ v = v0. Khi FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ van giảm áp duy trì p3 để ∆p = const ⇒ v = const. Nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p2 = p3 (tại A trên đồ thị), nếu tăng nữa ⇒ p2 = p3 ↓ = 0 ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.3. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào L−u l−ợng của bơm đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e. Khi làm việc, stato của bơm có xu h−ớng di động sang trái do tác dụng của áp suất dầu ở buồng nén gây nên. 73 p1 p2 p0 e Stato (vòng tr−ợt) Rôto Buồng hút Buồng nén Flx Pittông điều chỉnh F2 F1 A2 v FL A1 Hình 4.6. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào Ta có ph−ơng trình cân bằng lực của stato (bỏ qua ma sát): Flx + p1.F1 - p0.F2 - k.p0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm) (4.13) Nếu ta lấy hiệu tiết diện F1 - F2 = k ⇔ F1 = F2 + k (4.13) ⇔ Flx + p1.(F2 + k) - p0.F2 - k.p0 = 0 ⇔ Flx = F2.(p0 - p1) + k.(p0 - p1) ⇔ Flx = (F2 + k).(p0 - p1) ⇒ p0 - p1 = 1 lx 2 lx F F kF F =+ (4.14) Ta có l−u l−ợng qua van tiết l−u: p.c.A.Q x ∆à= (4.15) 10 ppp −=∆ = 1 lx 2 lx F F kF F =+ (4.16) 74 ⇒ p.c.A. F F .c.A.Q x 1 lx x ∆à=à= (4.17) Từ công thức (4.17) ta thấy: L−u l−ợng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc tr−ng bằng p1, p0). Giả sử: FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm sang phải ⇒ e ↑ ⇒ p0 ↑ ⇒ ∆p = p0 - p1 = const. 75 Ch−ơng 5: ứng dụng và thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 5.1. ứng dụng truyền động thủy lực 5.1.1. Mục đích Trong hệ thống truyền động bằng thủy lực, phần lớn do các nhà chế tạo, sản xuất ra và có những yêu cầu về các thông số kỹ thuật đ−ợc xác định và tiêu chuẩn hóa. Mục đích của ch−ơng này là giới thiệu cho sinh viên các sơ đồ lắp của hệ thống thủy lực trong các máy. 5.1.2. Các sơ đồ thủy lực a b 5.1.2.1. Máy dập thủy lực điều khiển bằng tay m 1.0 A 1.2 P T 76 0.1 1.1 0.2 0.3 T P Hình 5.1. Máy dập điều khiển bằng tay 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van một chiều; 1.2 Van đảo chiều 3/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.0 Xilanh. Khi có tín hiệu tác động bằng tay, xilanh A mang đầu dập đi xuống. Khi thả tay ra, xilanh lùi về. 5.1.2.2. Cơ cấu rót tự động cho quy trình công nghệ đúc 0.1 1.0 1.1 P T A B 0.1 1.1 P T A B 0.2 0.3 T P 0.2 0.3 T P P A 1.3 1.2 1.0 Hình 5.2. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu rót phôi tự động 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.3 Van một chiều; 1.1 Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt; 1.0 Xilanh; 1.2 Van cản. Để chuyển động của xilanh, gàu xúc đi xuống đ−ợc êm, ta lắp thêm một van cản 1.2 vào đ−ờng xả dầu về. 5.1.2.3. Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn trong lò sấy Hình 5.3. Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn trong lò sấy 77 0.1 1.0 1.1 P T A B m 0.1 1.1 P T A B 0.2 0.3 T P 0.2 0.3 T P 1.2 B m 1.0 X A Hình 5.4. Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ chi tiết đ−ợc sơn trong lò sấy 0.1 Bơm; 0.2 Van tràn; 0.3 áp kế; 1.1 Van đảo chiều 4/3, điều khiển bằng tay gạt; 1.2 Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn; 1.0 Xilanh. Để cho chuyển động của xilanh đi xuống đ−ợc êm và có thể dừng lại vị trí bất kỳ, ta lắp thêm van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn 1.2 vào đ−ờng nén của xilanh. 5.1.2.4. Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 1 2 3 Hình 5.5. Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 1. Xilanh; 2. Chi tiết; 3. Hàm kẹp. Khi tác động bằng tay, pittông mang hàm kẹp di động đi ra, kẹp chặt chi tiết. Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, pittông lùi về, hàm kẹp mở ra. Để cho xilanh chuyển động đi tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết l−u một chiều. Trên sơ đồ, van tiết l−u một chiều đặt ở trên đ−ờng ra và van tiết l−u đặt ở đ−ờng vào (hãy so sánh hai cách này). 78 1.0 0.1 1.1 P T A A B B 1.2 0.1 1.1 P T A 0.2 0.3 T P 0.2 0.3 T P 1.2 B B A 1.0 Hình 5.6. Sơ đồ mạch thủy lực cơ 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 bằng tay gạt; 1.2 Van tiết l−u một chiều; 1.0 Xilanh. A B 5.1.2.5. Máy khoan bàn Hình 5.7. Máy khoan bàn 79 Hệ thống thủy lực điều khiển hai xilanh. Xilanh A mang đầu khoan đi xuống với vận tốc đều đ−ợc điều chỉnh trong quá trình khoan, xilanh B làm nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết trong quá trình khoan. Khi khoan xong, xilanh A mang đầu khoan lùi về, sau đó xilanh B lùi về mở hàm kẹp, chi tiết đ−ợc tháo ra. 1.0 (B) 0.1 1.1 P T A B 1.21.3 A P 2.0 (A) 2.1 P T A B T 0.2 P 2.6 B A 2.3 T P B 2.22.5 2.4 Hình 5.8. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 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 l−u; 2.0. Xilanh B. Để cho vận tốc trong quá trình không đổi, mặc dù trọng thay có thể tải đổi, ta dùng bộ ổn tốc 2.2. áp suất cần để kẹp chi tiết nhỏ, ta sử dụng van giảm áp 1.2. 80 5.2. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 5.2.1. Mục đích Tất cả các bộ phận trong hệ thống thủy lực đều có những yêu cầu kỹ thuật nhất định. Những yêu cầu đó chỉ có thể đ−ợc thỏa mãn, nếu nh− các thông số cơ bản của các bộ phận ấy đ−ợc lựa chọn thích hợp. Các cơ cấu chấp hành, cơ cấu biến đổi năng l−ợng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, cũng nh− các phần lớn các thiết bị phụ khác trong hệ thống thủy lực đều đ−ợc tiêu chuẩn hóa. Do đó, việc thiết kế hệ thống thủy lực thông th−ờng là việc tính toán lựa chọn thích hợp các cơ cấu trên. 5.2.2. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực Trình tự: có những số liệu ban đầu và các yêu cầu sau +/ Chuyển động thẳng: tải trọng F, vận tốc (v, v’), hành trình x,...; +/ Chuyển động quay: momen xoắn MX, vận tốc (n, Ω); +/ Thiết kế sơ đồ thiết bị; +/ Tính toán p, Q của cơ cấu chấp hành dựa vào tải trọng và vận tốc; +/ Tính toán l−u l−ợng và áp suất của bơm; +/ Chọn các phần tử thủy lực (pb, Qb); +/ Xác định công suất động cơ điện. 5.2.2.1. Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến A1 p1 mD Fms x pT p0 Qb d Fs A2 Q2 p2 Q1 Ft Hình 5.9. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến Từ sơ đồ thủy lực ta có: +/ Lực quán tính: Fa = m.a (5.1) (Fa = a. g WL theo hệ Anh) 81 +/ Lực ma sát: Fms = m.g.f (5.2) (Fms = WL.f theo hệ Anh) +/ Lực ma sát trong xilanh Fs th−ờng bằng 10% lực tổng cộng, tức là: Fms = 0,10.F (5.3) +/ Lực tổng cộng tác dụng lên pittông sẽ là: F = tsms FFF1000 a.m +++ [daN] (5.4) Theo hệ Anh: F = tsms L FFF 12.2,32 a.W +++ [lbf] Trong đó: Ft - lực do tải trọng ngoài gây ra (ngoại lực), daN (lbf); m - khối l−ợng chuyển động, kg.s2/cm; WL - trọng lực, (lbf) ; a - gia tốc chuyển động, cm/s2; Fms - lực ma sát của bộ phận chuyển động, daN (lbf); Fs - lực ma sát trong pittông - xilanh, daN (lbf). Ta có ph−ơng trình cân bằng tĩnh của lực tác dung lên pittông p1.A1 = p2.A2 + F (5.5) Đối với xilanh không đối xứng thì l−u l−ợng vào ≠ l−u l−ợng ra Q1 = Q2.R với R = 2 1 A A (hệ số diện tích) (5.6) Từ đó ta xác định đ−ợc đ−ờng kính của xilanh (D), đ−ờng kính của cần pittông (d) Cụ thể: • Đ−ờng kính của xilanh: D = π 1A.2 (5.7) • Đ−ờng kính của cần pittông: d = π − 21 AA.2 (5.8) Độ sụt áp qua van sẽ tỷ lệ với bình ph−ơng hệ số diện tích R, tức là: p0 - p1 = (p2 - pT).R 2 (5.9) Trong đó: p0 - áp suất dầu cung cấp cho van; p1, p2 - áp suất ở các buồng của xilanh; pT - áp suất dầu ra khỏi van; A1, A2 - diện tích hai phía của pittông. Từ công thức (5.5), (5.9) ta tìm đ−ợc p1 và p2 p1 = ( )( )32 2T 2 20 R1.A A.pF.RA.p + ++ (5.10) 82 p2 = pT + 2 10 R pp − (5.11) T−ơng tự, khi pittông làm việc theo chiều ng−ợc lại thì: p1 = pT + (p0 - p2).R 2 (5.12) p2 = ( )32 2T 3 20 R1.A R.A.pFR.A.p + ++ (5.13) L−u l−ợng dầu vào xilanh để pittông chuyển động với vận tốc cực đại là: Q1max = vmax.A1 [cm 3/s] (5.14) Q1max = 1 max A. 7.16 v [l/ph] (5.15) L−u l−ợng dầu ra khỏi hệ thống khi làm việc với vmax là: Q2max = vmax.A2 [cm 3/s] (5.16) Q2max = 2 max A. 7.16 v [l/ph] (5.17) L−u l−ợng qua van tiết l−u và van đảo chiều đ−ợc xác định theo công thức Torricelli: p. g.2 .A.Q x ∆ρà= [cm 3/s] (5.18) Trong đó: à - hệ số l−u l−ợng; Ax - diết diện mặt cắt của khe hở [cm 2]; ∆p = (p1 - p2) - áp suất tr−ớc và sau khe hở [N/cm2]; ρ - khối l−ợng riêng của dầu [kg/cm3]. L−u l−ợng của bơm: chọn bơm dựa vào p và Q ⇒ Nđcơ điện Qb = n. V. ηv.10-3 [l/ph] (5.19) Trong đó: n - số vòng quay [vg/ph]; V - thể tích dầu/vòng [cm3/vg]; ηv - hiệu suất thể tích [%]. áp suất của bơm: pb = 10. V .M hmη [bar] (5.20) Công suất để truyền động bơm: N = 2 t bb 10. .6 Q.p − η [kW] (5.21) Trong đó: M - Mômen trên trục động cơ nối với bơm [Nm]; ηhm - hiệu suất cơ và thủy lực [%]; ηt - hiệu suất toàn phần [%]. 83 Công suất cần thiết của động cơ điện là: Nđ = t N η [kW] (5.22) Tính và chọn ống dẫn (ống hút, ống nén, ống xả) +/ Chọn vận tốc chảy qua ống: • ở ống hút: v = 0,5 ữ 1,5 m/s • ở ống nén: p < 50bar thì v = 4 ữ 5 m/s p = 50 ữ 100bar thì v = 5 ữ 6 m/s p > 100bar thì v = 6 ữ 7 m/s • ở ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m/s +/ Chọn kích th−ớc đ−ờng kính ống: Ta có ph−ơng trình l−u l−ợng chảy qua ống dẫn: Q = A.v (5.23) Trong đó: Tiết diện: A = 4 d. 2π (5.24) ⇔ Q = 4 d. 2π .v (5.25) Trong đó: d [mm]; Q [lít/phút]; v [m/s]. ⇒ v = 2 2 10. 4 .d.6 Q π (5.26) ⇒ Kích th−ớc đ−ờng kính ống dẫn là: d = v..3 Q.2 .10 π [mm] (5.27) 5.2.2.2. Tính toán thiết kế hệ thủy lực chuyển động quay Hệ thủy lực thực hiện chuyển động quay cũng đ−ợc phân tích nh− hệ thủy lực chuyển động thẳng. Mômen xoắn tác động lên trục động cơ dầu bao gồm: +/ Mômen do quán tính Ma = J.θ [Nm] (5.28) J - mômen quán tính khối l−ợng trên trục động cơ dầu [Nms2]; θ - gia tốc góc của trục động cơ dầu [rad/s2]. +/ Mômen do ma sát nhớt trên trục động cơ dầu MD [Nm]. +/ Mômen do tải trọng ngoài ML [Nm]. +/ Mômen xoắn tổng cộng Mx sẽ là: Mx = J. θ + MD + ML [Nm] (5.29) 84 pT p2p1 Q1 Q2 p0 Qb nđ, Dm ML, MD J Hình 5.10. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động quay Theo ph−ơng pháp tính toán nh− hệ chuyển động thẳng, áp suất p1 và p2 trong hệ chuyển động quay đ−ợc xác định theo công thức p1 = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ π+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + m T0 D M..10 2 pp [bar] (5.30) p2 = p0 - p1 + pT [bar] (5.31) L−u l−ợng để làm quay trục động cơ dầu với nmax Q1 = Q2 = 1000 D.n mmax [l/ph] (5.32) Trong đó: nmax - số vòng quay lớn nhất của trục động cơ dầu [vg/ph]; Dm - thể tích riêng của động cơ dầu [cm 3/vg]. Công suất truyền động động cơ dầu N = 2 t11 10.6 .Q.p η [kW] (5.33) (Phần tính toán bơm và đ−ờng ống t−ơng tự hệ chuyển động thẳng) Trong hai bài toán trên, quá trình tính toán ch−a tính (quan tâm) đến tổn thất áp suất và l−u l−ợng trong các phần tử và trong toàn hệ thống. 5.2.2.3. Các ví dụ Ví dụ 1: thiết kế hệ thống thủy lực với các số liệu cho tr−ớc: +/ Tải trọng: 100 tấn +/ Trọng l−ợng G = 3000 KG 85 +/ Vận tốc công tác: vmax = 320 (mm/phút) +/ Vận tốc chạy không: vmax = 427 (mm/phút) +/ Pittông đặt thẳng đứng, h−ớng công tác từ d−ới lên +/ Điều khiển khiển tốc độ bằng van servo. A1 p1 m v Q1 p2 Q2 Fs A2 p0 pT Fms d D Qb Ft Hình 5.11. Sơ đồ mạch thủy lực Bài giải: c Chọn các phần tử thủy lực: +/ Xilanh tải trọng +/ Van servo +/ ắc quy thủy lực +/ Lọc cao áp (lọc tinh) +/ Đồng hồ đo áp suất +/ Van tràn +/ Bơm dầu (bơm bánh răng) +/ Van cản. d Ph−ơng trình cân bằng lực của cụm xilanh tạo tải trọng Ta viết ph−ơng trình cân bằng lực của cụm pittông xét ở hành trình công tác (hành trình đi từ d−ới lên trên của pittông) Ft vctA1 Fmsp vck d D p1 p2Q1 Q2 Fmst Fmsc Fqt A2 p1.A1 - p2.A2 - Ft - Fmsc - Fmsp - G - Fqt = 0 (5.34) Trong đó: 86 p1: áp suất dầu ở buồng công tác p2: áp suất ở buồng chạy không A1: diện tích pittông ở buồng công tác 4 D. A 2 1 π= A2: diện tích pittông ở buồng chạy không ( ) 4 dD. A 22 2 −π= Ft: tải trọng công tác Ft = 1000 (kN) G: trọng l−ợng của khối l−ợng m, G = 300 (KG) Fmsp: lực ma sát của pittông và xilanh Fmsc: lực ma sát giữa cần pittông và vòng chắn khít Fmst: lực ma sát giữa khối l−ợng m và bạc tr−ợt Fqt: lực quán tính sinh ra ở giai đoạn pittông bắt đầu chuyển động. +/ Ta có lực ma sát của pittông và xilanh: Fmsp = à.N (5.35) Trong đó: à: hệ số ma sát. Đối với cặp vật liệu xilanh là thép và vòng găng bằng gang thì à = (0,09 ữ 0,15), chọn à = 0,1. N: lực của các vòng găng tác động lên xilanh và đ−ợc tính: N = π.D.b.(p2 + pk) + π.D.b.(z - 1).pk (5.36) D: đ−ờng kính pittông (cm), theo dãy giá trị đ−ờng kính tiêu chuẩn ta chọn D = 27 (cm) b: bề rộng của mối vòng găng, chọn b = 1 (cm) p2: áp suất của buồng mang cần pittông, chọn p2 = 5 (KG/cm 2) z: số vòng găng, chọn z = 3 pk: áp suất tiếp xúc ban đầu giữa vòng găng và xilanh, pk = (0,7 ữ 0,14) (KG/cm2), chọn pk = 1 (KG/cm 2) π.D.b.(p2 + pk): lực của vòng găng đầu tiên π.D.b.(z - 1).pk: lực tiếp xúc của vòng găng tiếp theo ⇒ Fmsp = 0,5.D (5.37) +/ Lực ma sát giữa cần pittông và vòng chắn khít Fmsc = 0,15.f.π.d.b.p (5.38) f: hệ số ma sát giữa cần và vòng chắn, đối với vật liệu làm bằng cao su thì f = 0,5.D d: đ−ờng kính cần pittông, chọn d = 0,5.D b: chiều dài tiếp xúc của vòng chắn với cần, chọn d = b p: áp suất tác dụng vào vòng chắn, chính là áp suất p2 = 5 (KG/cm 2) 0,15: hệ số kể đến sự giảm áp suất theo chiều dài của vòng chắn. ⇒ Fmsc = 0,029.D2 (5.39) +/ Lực ma sát giữa khối l−ợng m và bạc tr−ợt 87 Fmst = 2.π.d.l.k (5.40) d: đ−ờng kính trụ tr−ợt l: chiều dài của bạc tr−ợt k: hệ số phụ thuộc vào cặp vật liệu của trụ và bạc tr−ợt Lực này có thể bỏ qua, vì để bảo đảm chế độ lắp ghép và làm việc. +/ Lực quán tính 0 qt t.g v.G F = (5.41) g: gia tốc trọng tr−ờng, g = 9,81 (m/s2) G: khối l−ợng của bộ phận chuyển động, G = 300 (KG) v: vận tốc lớn nhất của cơ cấu chấp hành, vmax = 320 (mm/ph) ≈ 5,3 (mm/s) t0: thời gian quá độ của pittông đến chế độ xác lập, t0 =(0,01 ữ 0,5)(s), chọn t0 = 0,1(s) ⇒ Fqt = 1,62 (KG) Thay các giá trị vừa tính vào (5.34) ta có: p1 = 179,56 (KG/cm 2), chọn p1 = 180 (KG/cm 2). e Ph−ơng trình l−u l−ợng +/ Xét ở hành trình công tác Q1 = vct.Act (5.42) ⇔ Q1 = vct.D2. 4 π Q1: l−u l−ơng cần cung cấp trong hành trình công tác vct: vận tốc chuyển động trong hành trình công tác (ở đây ta lấy giá trị vmax = 320mm/ph) D: diện tích bề mặt làm việc của pittông (D= 270 mm) ⇒ Q1 ≈ 18312480 (mm3/ph) ≈ 18,3 (l/ph). +/ Xét ở hành trình lùi về (t−ơng tự) f Tính và chọn các thống số của bơm +/ L−u l−ợng của bơm: Qb Ta có: Qb = Q 1 (bỏ qua tổn thất) ⇔ Qb = Qct = Q1 =18,3 (l/ph) +/ áp suất bơm: pb pb = p0 =p1 = 180 (KG/cm 2) +/ Công suất bơm: )KW( 612 Q.p N bbb = (5.43) ⇒ )KW(38,5 612 3,18.180 Nb ≈= +/ Công suất động cơ điện dẫn động bơm 88 Ta có: Nđc = bd b . N ηη (5.44) Nđc: công suất của động cơ điện ηb: hiệu suất của bơm, ηb = (0,6 ữ 0,9), chọn ηb = 0,87 ηd: hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm, chọn ηd = 0,985 (theo giáo trình “chi tiết máy” tập 2 của Nguyễn Trọng Hiệp) ⇒ Nđc = )KW(24,6 87,0.985,0 38.5 ≈ g Tính toán ống dẫn Ta có l−u l−ợng chảy qua ống: 4 v.d. Q 2π= (5.45) Q: l−u l−ợng chảy qua ống (l/ph) d: đ−ờng kính trong của ống (mm) v: vận tốc chảy qua ống (m/s) C.thức (5.45) ⇔ ( ) v Q .6,4d 60.10 Q 4 d.10. 3 23 =⇒=π − (5.46) Đối với ống nén thì v = (6 ữ 7 m/s), chọn v = 6 m/s ⇒ )mm(03,8 6 3,18 .6,4dn == Đối với ống hút thì v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chọn v = 1,5 m/s ⇒ )mm(06,16 5,1 3,18 .6,4dh == Đối với ống xả thì v = (0,5 ữ 1,5 m/s), chọn v = 1,5 m/s ⇒ )mm(06,16 5,1 3,18 .6,4dx == Ví dụ 2: Để thực hiện l−ợng chạy dao của máy tổ hợp, trong tr−ờng hợp tải trọng không đổi, ng−ời ta dùng hệ thống thủy lực nh− sau Số liệu cho tr−ớc: Lực chạy dao lớn nhất: Fmax = 12000N. L−ợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph. L−ợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 500 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 4000 N. 89 Đây là hệ thống thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u. L−ợng dầu chảy qua hệ thống đ−ợc điều chỉnh bằng van tiết l−u đặt ở đ−ờng ra, và l−ợng dầu tối thiểu chảy qua van tiết l−u ta chọn là Qmin = 0,1 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 3: Trong tr−ờng hợp tải trọng của máy thay đổi, hoặc dao động với tần số thấp; cần phai lắp bộ ổn tốc. Ta xét tr−ờng hợp lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng vào của hệ thống thủy lực Các số liệu cho tr−ớc: Tải trọng lớn nhất: Fmax = 20000 N. L−ợng chạy dao nhỏ nhất: smin = vmin = 20 mm/ph. L−ợng chạy dao lớn nhất: smax = vmax = 1000 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 5000 N. Hệ số ma sát: f = 0,2 L−ợng chạy dao cần thiết đ−ợc điều chỉnh bằng van tiết l−u của bộ ổn tốc và ta cũng chọn l−ợng dầu nhỏ nhất chảy qua van tiết l−u là: Qmin = 0,1 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 4: Trên máy mài, th−ờng dùng hệ thống thủy lực để thực hiện chuyển động thẳng đi về của bàn máy bằng ph−ơng pháp điều chỉnh tiết l−u. Các số liệu cho tr−ớc: Tải trọng lớn nhất: Fmax = 800 N. Vận tốc nhỏ nhất của bàn máy: vmin = 100 mm/ph. Vận tốc lớn nhất của bàn máy: vmax = 20000 mm/ph. Trọng l−ợng bàn máy: G = 3000 N. Hệ số ma sát: f = 0,2 Ta chọn l−ợng dầu tối thiểu qua van tiết l−u là: Qmin = 0,2 l/ph. Tính toán và thiết kế hệ thống trên. Ví dụ 5: Thiết kế hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay với các số liệu cho tr−ớc: 90 Mômen lớn nhất: M = 20 Nm Số vòng quay lớn nhất: nmax = 500 v/ph Số vòng quay nhỏ nhất: nmin = 5 v/ph L−u l−ợng riêng của động cơ dầu: Qđ = 0,03 l/ph Mômen riêng của động cơ dầu: Mđ = 0,41 N/bar. 91 Phần 2: hệ thống khí nén Ch−ơng 6: cơ sỡ lý thuyết 6.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén 6.1.1. Lịch sử phát triển Năng l−ợng khí nén đ−ợc sử dụng trong các máy móc thiết bị vào những năm của thế kỷ 19, cụ thể +/ Năm 1880 sử dụng phanh bằng khí nén +/ ...... 6.1.2. 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 đ−ợc phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. +/ Hệ thống điều khiển bằng khí nén đ−ợc sử dụng trong các lĩnh vực nh−: 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 tr−ờng rất tốt và an toàn cao. +/ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén đ−ợc 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, đ−ờng hầm,...). +/ 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 nh− trong hệ thống phanh hãm của ôtô. +/ Truyền động quay: truyền động xilanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng l−ợng khí nén. +/ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: đ−ợc dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất l−ợng sản phẩm. 92 6.2. những −u điểm và nh−ợc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 6.2.1. Ưu điểm +/ Có khả năng truyền năng l−ợng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đ−ờng 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 nén. +/ Không khí dùng để nén, hầu nh− có số l−ợng không giới hạn và có thể thải ra ng−ợc 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 đ−ờng dẫn khí nén. +/ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đ−ợc 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 t−ởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó đ−ợc sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp. 6.2.2. Nh−ợc 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 đ−ợc những chuyển động thẳng hoặc quay đều). +/ Dòng khí thoát ra ở đ−ờng dẫn ra gây nên tiếng ồn. 6.3. nguyên lý truyền động Cơ năng làm chuyển động thẳng và quay Thế năng của khí nén P, Q 93 6.4. sơ đồ nguyên lý truyền động Đ.Cơ R R A 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.11.2 1.3 1.4 1.5 P A P1 P2 RP A A RP A B Van khóa Bộ phận lọc Van lọc Bình chứa khí Bơm Đại l−ợng vào p, Q Phần tử đ−a tín hiệu Phần tử xử lý tín hiệu Phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành Nguồn cung cấp khí nén P Hình 6.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển và các phần tử 6.5. đơn vị đo các đại l−ợng cơ bản 6.5.1. áp suất Đơn vị đo cơ bản của áp suất theo hệ đo l−ờng 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 6.5.2. Lực Đơn vị của lực là Newton (N). 1 N là lực tác dụng lên đối trọng có khối l−ợng 1 kg với gia tốc 1 m/s2. 94 1 N = 1 kg.m/s2 6.5.3. Công suất Đơn vị của công suất là Watt. 1 Watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh ra năng l−ợng 1 Joule. 1 W = 1 Nm/s 1 W = 1 2s m.kg . s m 95 Ch−ơng 7: các phần tử khí nén và điện khí nén 7.1. cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng l−ợng khí nén thành năng l−ợng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). ở trạng thái làm việc ổn định, thì khả năng truyền năng l−ợng có ph−ơng pháp tính toán giống thủy lực. Ví dụ: Q Flxp Ft vACông suất: N = p.Q (khí nén) Vận tốc: tF N v = (cơ cấu chấp hành) Cụ thể: ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ = +=⇒+= A Q v A FF pFFA.p tlxtlx Một số xilanh, động cơ khí nén th−ờng gặp: Xilanh tác dụng đơn (tác dụng một chiều) Xilanh tác dụng hai chiều (tác dụng kép) Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh đ−ợc Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh đ−ợc Xilanh quay bằng thanh răng 96 Động cơ khí nén 1 chiều, 2 chiều 7.2. Van đảo chiều Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng l−ợng bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi h−ớng của dòng năng l−ợng. 7.2.1. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều Khí nén ra (2) 97 Thân van Nòng van (pittông điều khiển) Lò xo Tín hiệu tác động (12) Xả khí (3)Nối với nguồn khí nén (1) Hình 7.1. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều Khi ch−a có tín hiệu tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3). Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12) (khí nén), lúc này nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn. Tr−ờng hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, d−ới tạc dụng của lực lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu. 7.2.2. Ký hiệu van đảo chiều Chuyển đổi vị trí của nòng van đ−ợc biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái 0, a, b, c, ... hay các số 0, 1, 2, ... a 0 b ba Vị trí “0” đ−ợc ký hiệu là vị trí, mà khi van ch−a có tác động của tín hiệu ngoài vào. Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí “0”, còn đối với van có 2 vị trí, thì vị trí “0” có thể là a hoặc b, th−ờng vị trí b là vị trí “0”. Cửa nối van đ−ợc ký hiệu nh− sau: Theo t/c ISO5599 Theo t/c ISO1219 Cửa nối với nguồn khí 1 P Cửa nối làm việc 2, 4, 6, ... A, B, C, ... Cửa xả khí 3, 5, 7, ... R, S, T, ... Cửa nối với tín hiệu điều khiển 12, 14, ... X, Y, ... Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đ−ờng thẳng có hình mũi tên, biểu diễn h−ớng chuyển động của dòng khí qua van. Tr−ờng hợp dòng bị chặn, đ−ợc biểu diễn bằng dấu gạch ngang. Cửa 1 nối với cửa 2 Cửa 1 nối với cửa 4 5(S) cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn 4(B) 2(A) Cửa nối điều khiển12(X) 3(R) cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn 1(P) 0 1 14(Y) cửa nối điều khiển Hình 7.2. Ký hiệu các cửa của van đảo chiều Một số van đảo chiều th−ờng gặp: Van đảo chiều 2/2 Van đảo chiều 4/2 Van đảo chiều 5/2 Hình 7.3. Các loại van đảo chiều Van đảo chiều 3/2 Van đảo chiều 4/3 7.2.3. Các tín hiệu tác động Nếu ký hiệu lò xo nằm ngay phía bên phải của ký hiệu của van đảo chiều, thì van đảo chiều đó có vị trí “0”. Điều đó có nghĩa là chừng nào ch−a có tác dụng vào nòng van, thì lò xo tác động giữ vị trí đó. Tác đông phía đối diện của van, ví dụ: tín hiệu tác động bằng cơ, bằng khí nén hay bằng điện giữ ô vuông phía trái của van và đ−ợc ký hiệu “1”. a. Tín hiệu tác động bằng tay 98 Ký hiệu nút ấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp b. Tín hiệu tác động bằng cơ Đầu dò Cữ chặn bằng con lăn, tác động hai chiều Cữ chặn bằng con lăn, tác động một chiều Lò xo Nút ấn có rãnh định vị c. Tín hiệu tác động bằng khí nén Trực tiếp bằng dòng khí nén vào Trực tiếp bằng dòng khí nén ra Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với đ−ờng kính 2 đầu nòng van khác nhau Gián tiếp bằng dòng khí nén vào qua van phụ trợ Gián tiếp bằng dòng khí nén ra qua van phụ trợ d. Tín hiệu tác động bằng nam châm điện 99 ∗ Trực tiếp Bằng nam châm điện và van phụ trợ Tác động theo cách h−ớng dẫn cụ thể Hình 7.4. Các tín hiệu tác động 7.2.4. Van đảo chiều có vị trí "0" Van đảo chiều có vị trí “0” là loại van có tác động bằng cơ - lò xo lên nòng van. a. Van đảo chiều 2/2: tín hiệu tác động bằng cơ - đầu dò. Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí “0” và “1”. Vị trí “0” cửa P và R bị chặn. P R Ký hiệu 1 0 P R Hình 7.5. Van đảo chiều 2/2 Nếu đầu dò tác động vào, từ vị trí “0” van sẽ đ−ợc chuyển đổi sang vị trí “1”, nh− vậy cửa P và R sẽ nối với nhau. Khi đầu dò không tác động nữa, thì van sẽ quay trở về vị trí ban đầu (vị trí “0”) bằng lực nén lò xo. b. Van đảo chiều 3/2: +/ Tín hiệu tác động bằng cơ - đầu dò. Van có 3 cửa P, A và R, có 2 vị trí “0” và “1”. Vị trí “0” cửa P bị chặn. Cửa A nối với cửa R, nếu đầu dò tác động vào, từ vị trí “0” van sẽ đ−ợc chuyển sang vị trí “1”, nh− vậy cửa P và cửa A sẽ nối với nhau, cửa R bị chặn. Khi đầu dò không tác động nữa, thì van sẽ quay về vị trí ban đầu (vị trí “0”) bằng lực nén lò xo. Ký hiệu: 1 0 P R A 100 Cửa xả khí R A P Hình 7.6. Kết cấu van đảo chiều 3/2 +/ Tín hiệu tác động bằng tay - nút ấn Ký hiệu: 1 0 P R A +/ Tín hiệu tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ A RP 0 1 Cuộn dây Lò xo Lõi sắt (pittông trụ) Z P1 Van phụ trợ Van chính Nòng van P A R Lỗ khoan Pittông phụ 12 Hình 7.7. Ký hiệu và kết cấu van đảo chiều 3/2, tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ Tại vị trí “0” cửa P bị chặn, cửa A nối với R. Khi dòng điện vào cuôn dây, pittông trụ bị kéo lên, khí nén sẽ theo h−ớng P1, 12 tác động lên pittông phụ, pittông phụ bị đẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí “1”, lúc này cửa P nối với A, cửa R bị chặn. 101 Khi dòng điện mất đi, pittông trụ bị lò xo kéo xuống và khí nén ở phần trên pittông phụ sẽ theo cửa Z thoát ra ngoài. c. Van đảo chiều 4/2: +/ Tín hiệu tác động bằng tay - bàn đạp Ký hiệu: P R A 1 0 B +/ Tín hiệu tác động trực tiếp bằng nam châm điện Ký hiệu: P R A 1 0 B S Tại vị trí “0” cửa P nối với cửa B, cửa A với R. Khi có dòng điện vào cuộn dây, van sẽ chuyển sang vị trí “1”, lúc này cửa P nối với cửa A, cửa B nối với cửa R. d. Van đảo chiều 5/2 +/ Tín hiệu tác động bằng cơ - đầu dò Ký hiệu: S B 1 0 P R A Tại vị trí “0” cửa P nối với cửa B, cửa A nối với R và cửa S bị chặn. Khi đầu dò tác động, van sẽ chuyển sang vị trí “1”, lúc này cửa P nối với cửa A, cửa B nối với cửa S và cửa R bị chặn. +/ Tín hiệu tác động bằng khí nén Z S A 1 0 P R BKý hiệu: Tại vị trí “0” cửa P nối với cửa A, cửa B nối với R và cửa S bị chặn. Khi dòng khí nén Z tác động vào, van sẽ chuyển sang vị trí “1”, lúc này cửa P nối với cửa B, cửa A nối với cửa S và cửa R bị chặn. 7.2.5. Van đảo chiều không có vị trí "0" Van đảo chiều không có vị trí “0” là van mà sau khi tín hiệu tác động lần cuối lên nòng van không còn nữa, thì van sẽ giữ nguyên vị trí lần đó, chừng nào ch−a có tác động lên phía đối diện nòng van. Ký hiệu vị trí tác động là a, b, c, ... 102 Tín hiệu tác động lên nòng van có thể là: • Tác động bằng tay, bàn đạp. • Tín hiệu tác động bằng dòng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ 2 phía của nòng van. • Tín hiệu tác động trực tiếp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua van phụ trợ. Loại van này đ−ợc gọi là van đảo chiều xung, vì vị trí của van đ−ợc thay đổi khi có tín hiệu xung tác động lên nòng van. a. Van đảo chiều 3/2 Tín hiệu tác động bằng tay, đ−ợc ký hiệu: Khi ở vị trí a, cửa P nối với cửa A và cửa R bị chặn. Vị trí b, cửa A nối với cửa R và cửa P bị chặn. b. Van xoay đảo chiều 4/3 Tín hiệu tác động bằng tay, đ−ợc ký hiệu: a b RP cba BA P R A Nếu vị trí xoay nằm tại vị trí a, thì cửa P nối với cửa A và cửa B nối với R. Vị trí xoay nằm tại vị trí b, thì các cửa nối A, B, P, R đều bị chặn. Vị trí xoay nằm tại vị trí c, thì cửa P nối với B và cửa A nối cửa R. c. Van đảo chiều xung 4/2 Tín hiệu tác động bằng dòng khí nén điều khiển đi ra từ 2 phía nòng van. Ký hiệu: P R A a b B Y X Khi xả cửa X, nòng van sẽ dịch chuyển sang vị trí b, cửa P nối với với cửa A và cửa B nối với cửa R. Khi cửa X ngừng xả khí, thì vị trí cửa nòng van vẫn nằm ở vị trí b cho đến khi có tín hiệu xả khí ở cửa Y. 7.3. Van chặn Van chặn là loại van chỉ cho l−u l−ợng khí đi qua một chiều, chiều ng−ợc lại bị chặn. Van chặn gồm các loại sau: 103 +/ Van một chiều +/ Van logic OR +/ Van logic AND +/ Van xả khí nhanh. 7.3.1. Van một chiều Van một chiều có tác dụng chỉ cho l−u l−ợng khí đi qua một chiều. Ký hiệu: A B 7.3.2. Van logic OR Van logic OR có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. P1 A P2 Ký hiệu: Khi có dòng khí nén qua cửa P1, sẽ đẩy pittông trụ của van sang phải, chắn cửa P2 ⇒ P1 nối với cửa A và ng−ợc lại. 7.3.3. Van logic AND Van logic AND có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển cùng một lúc ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. P2 A P1 Ký hiệu: Khi dòng khí qua P1 ⇒ P1 bị chặn. Ng−ợc lại dòng khí qua P2 ⇒ P2 bị chặn. Nếu dòng khí đồng thời qua P1, P2 ⇒ cửa A sẽ nhận đ−ợc tín hiệu ⇒ khí qua A. 7.3.4. Van xả khí nhanh Van xả khí nhanh th−ờng lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành (pittông), có nhiệm vụ xả khí nhanh ra ngoài. Ký hiệu: 7.4. Van tiết l−u Van tiết l−u dùng để điều chỉnh l−u l−ợng dòng khí. 7.4.1. Van tiết l−u có tiết diện không thay đổi R A P A BKý hiệu: 104 7.4.2. Van tiết l−u có tiết diện thay đổi Ký hiệu: A B 7.4.3. Van tiết l−u một chiều Ký hiệu: A B 7.5. Van điều chỉnh thời gian 7.5.1. Rơle thời gian đóng chậm Ký hiệu: A RP 01 X Van đảo chiều 3/2 Van tiết l−u một chiều Bình chứa X A t1 Khí nén qua van một chiều, cần thời gian t1 để làm đầy bình chứa, sau đó tác động lên nòng van đảo chiều, van đảo chiều chuyển đổi vị trí, cửa P nối với cửa A. 7.5.2. Rơle thời gian ngắt chậm Ký hiệu: A RP 01 X Van đảo chiều 3/2 Van tiết l−u một chiều Bình chứa X A t1 Rơle thời gian ngắt chậm, nguyên lý, cấu tạo cũng t−ơng tự nh− rơle thời gian đóng chậm, nh−ng van tiết l−u một chiều có chiều ng−ợc lại. 7.6. Van chân không Van chân không là cơ cấu có nhiệm vụ hút và giữ chi tiết bằng lực chân không, chân không đ−ợc tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lý ống venturi. Ký hiệu: P R U Ta có lực hút chân không: 105 )ppp(p. 4 D. F ua 2 −=∆∆π= Trong đó: F - lực hút chân không (N); D - đ−ờng kính đĩa hút (m); pa - áp suất không khí ở đktc (N/m 2); pu - áp suất chân không tại cửa U (N/m 2). Lực F phụ thuộc vào D và pu. 7.7. cảm biến bằng tia Cảm biến bằng tia là loại cảm biến không tiếp xúc, tức là quá trình cảm biến không có sự tiếp xúc giữa bộ phận cảm biến và chi tiết. Cảm biến tia có 3 loại: cảm biến bằng tia rẽ nhánh, cảm biến bằng tia phản hồi và cảm biến bằng tia qua khe hở. 7.7.1. Cảm biến bằng tia rẽ nhánh Cữ chặn S p X C ảm b iế n p X Ký hiệu áp suất nguồn p, áp suất rẽ nhánh X và khoảng cách S. Nếu không có cữ chặn thì dòng khí đi thẳng (X=0) Nếu có cữ chặn thì dòng khí rẽ nhánh X (X=1). 7.7.2. Cảm biến bằng tia phản hồi Cữ chặn C ảm b iế n a X p Ký hiệu X p Nếu không bị chặn thì dòng khí đi thẳng (X=0) Nếu bị chặn thì dòng khí phản hồi (X=1). 106 7.7.3. Cảm biến bằng tia qua khe hở Gồm hai bộ phận: bộ phận phát và bộ phận nhận, th−ờng bộ phận phát và bộ phận nhận có cùng áp suất p. Khi ch−a có vật chắn (X=0) Ký hiệu Vật chắnBộ phận phát Bộ phận nhận X p p X p Khi có vật chắn (X=1). 107 Ch−ơng 8: hệ thống điều khiển khí nén và điện khí nén 8.1. hệ thống điều khiển khí nén 8.1.1. Biểu đồ trạng thái +/ Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. +/ Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay, ...), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các b−ớc thực hiện hoặc thời gian hành trình. Hành trình làm việc đ−ợc chia thành các b−ớc, sự thay đổi trạng thái trong các b−ớc đ−ợc biểu diễn bằng đ−ờng đậm, sự liên kết các tín hiệu đ−ợc biểu diễn bằng đ−ờng nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên. +/ Xilanh đi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-). +/ Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc “a”, “b”). +/ Một số ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái: p Phần tử tín hiệu tác động bằng cơ Phần tử áp suất t Liên kết OR Phần tử thời gian Liện kết AND Tín hiệu rẽ nhánh 8.1.2. Các ph−ơng pháp điều khiển Bao gồm các ph−ơng pháp sau +/ Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp +/ Điều khiển theo thời gian +/ Điều khiển theo hành trình +/ Điều khiển theo tầng +/ Điều khiển theo nhịp. a. Điều khiển bằng tay +/ Điều khiển trực tiếp 108 - + 1.0 1.2 P 01 A RP 01 1.1 X R A Biểu đồ trạng thái +/ Điều khiển gián tiếp Trạng thái Ký hiệu Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 1.0 Xilanh một chiều (+) (-) 1.2 Van đảo chiều 3/2 1 0 1.1 Nút ấn 3/2 1 0 A RP 01 A RP 0 1 1.0 + - P 01 R A1.2 Y 1.1 1.3 X Biểu đồ trạng thái 109 b. Điều khiển theo thời gian Biểu đồ trạng thái Trạng thái Ký hiệu Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 1.0 Xilanh một chiều (+) (-) 1.3 Van đảo chiều 3/2 1 0 1.2 Nút ấn 3/2 1 0 1.1 Nút ấn 3/2 1 0 Trạng thái Ký hiệu Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 1.0 Xilanh hai chiều (+) (-) 1.3 Van đảo chiều 5/2 1 0 1.2 Phần tử thời gian 1 0 1.1 Nút ấn 3/2 1 0 A RP 0 1 XA R P 0 1 1.0 + - P 0 1.3 Y RS A B 1 1.2 t X 1.1 110 Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động 1.0 Biểu đồ trạng thái Trạng thái Ký hiệu Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 7 1.0 Xilanh hai chiều (+) (-) 1.4 Van đảo chiều 5/2 1 0 1.3 Phần tử thời gian 1 0 1.2 Phần tử thời gian 1 0 1.1 Nút ấn 3/2 1 0 P 0X 1.4 Y RS A B 1 A RP 01 X 1.3A R P 0 1 X 1.2 A R P 0 1 1.1 t t t t 111 c. Điều khiển theo hành trình Biểu đồ trạng thái Trạng thái Ký hiệu Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 7 1.0 Xilanh hai chiều (+) (-) 1.4 Van đảo chiều 5/2 1 0 1.3 Công tắc hành trình 3/2 1 0 1.2 Công tắc hành trình 3/2 1 0 1.1 Nút ấn 3/2 1 0 A R P 01 1.2 1.0 P 0X 1.4 Y RS A B 1 A R P 0 1 1.3 A R P 0 1 1.1 1.2 1.3 112 d. Điều khiển theo tầng +/ Mạch điều khiển 2 tầng e1, e2 là tín hiệu điều khiển vào a1, a2 là tín hiệu điều khiển ra Khi tầng I có khí nén, thì tầng II sẽ không có khí II I e2e1 a2 a1 Tầng nén và ng−ợc lại. +/ Mạch điều khiển 3 tầng e1, e2, e3 là tín hiệu điều khiển vào a1, a2, a3 là tín hiệu điều khiển ra Khi tầng I có khí thì tầng II và III không có khí, nghĩa là khi 1 tầng có khí thì 2 tầng còn lại Tầng a1 a2 e1 e4 I II III a3 e2 IV e3 a4 Tầng a1 a2 e1 e3 I II e2 a3 III không có khí. +/ Mạch điều khiển 4 tầng 113 Ví dụ: Biểu đồ trạng thái Trạng thái Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 7 Xilanh A (+) (-) Xilanh B (+) (-) A S1 S2 P 0 1.2 1 1.1S0 01 0 1 S3 01 B P 0 1.3 1 0 1 S4 01 S1 S4 S3 S1S2 S2 S4S3 114 e. Điều khiển theo nhịp OR 0Yn 1.1 On1 01 Yn+1 A 1.2 AND Xn P Zn L P Zn+1 L Mạch logic của chuổi điều khiển theo nhịp S R S R & 1 A2 S R2 & A3 S R 43 & X4 A4 & X3 X2 A1 Zn Yn X1 Yn+1 Zn+1 Biểu diễn đơn giản chuổi điều khiển theo nhịp 431 2 L P Yn L P Yn+1 A4A3A2A1 X4X3X2X1 Zn Zn+1 115 Ví dụ: Biểu đồ trạng thái Trạng thái Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 5 6 7 Xilanh A (+) (-) Xilanh B (+) (-) X1 X2 X3 X4 A1 A2 A3 A4 Yn+1 P Zn+1 L Yn P Zn L 1 2 3 4 A S1 S2 P 0 1 B P 0 1 01 0 1 01 0 1 01 01 0 1 S4 S3 S1S2 S4S3 116 8.2. hệ thống điều khiển điện khí nén 8.2.1. Các phần tử điện a. Công tắc 4 2 3 1 2 1 4 Công tắc chuyển mạch Công tắc đóng - mở b. Nút ấn 3 2 1 4 4 Nút ấn đóng - mở Nút ấn chuyển mạch c. Rơle +/ Rơle điều khiển A2 A1 2 1 4 3 K +/ Rơle thời gian tác động muộn A1 4 31 2 A2 K +/ Rơle thời gian nhả muộn d. Công tắc hành trình 1 2 3 4 B1 A2 K B2 2 S 1 4 d. Đèn báo hiệu 117 8.2.2. Mạch điều khiển khí nén a. Mạch điều khiển có tiếp điểm tự duy trì +/ Mạch khí nén +/ Biểu đồ trạng thái - + P 0 1.1 RS A B 1 Y5 b BA 1.0 +/ Mạch điện điều khiển Trạng thái Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 Xilanh 1.0 (+) (-) 3 421 (+) A1 K2 Xilanh lùi về Xilanh đi tới A2 H3 (-) Y5 K2 Tiếp điểm tự duy trì K2 S1 S2 118 b. Mạch điều khiển có rơle thời gian tác động chậm +/ Mạch khí nén +/ Biểu đồ trạng thái - + P 0 1.1 RS A B 1 Y6 b B S2 A 1.0 Trạng thái Tên gọi Vị trí 1 2 3 4 Xilanh 1.0 (+) (-) Van đ/k 5/2 1 0 Ctắc hành trình S2 1 0 Rơle thời gian K2 1 0 t +/ Mạch điện điều khiển Y6 K4 A1 K2 S2 H3A2 Xilanh đi tới Xilanh lùi về K2 S4 K4 A2 A1 H5K4 (+) (-) 1 2 3 4 5 6 119 c. Mạch điều khiển theo nhịp có 2 xilanh khí nén S1 S2 Y1 Y2 S1 S2 Xilanh A + B+ B- A- KT Công tắc hành trình S5 S2 S4 S3 S1 Nam châm điện Y1 Y2 0 0 Mạch điện điều khiển K1 S5 (-) (+) Y1 S2 K2 SET quy trình trở về vị trí ban đầu K3 K2 Y2 K5K4K3 K2 SET K4 K1 S1 K4 K4K3 S3S4 K1 K5 S1 120 Tài liệu tham khảo [1]. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực - Nguyễn Ngọc Ph−ơng, Huỳnh Nguyễn Hoàng, nhà XBGD, 2000. [2]. Truyền động dầu ép trong máy cắt kim loại - Nguyễn Ngọc Cẩn, ĐHBK HN, 1974. [3]. Điều khiển bằng khí nén trong tự động hóa kỹ nghệ - Nguyễn Thành Trí biên dịch, nhà xuất bản Đà Nẵng. [4]. Hệ thống điều khiển tự động thủy lực - Trần Xuân Tùy, nhà XBKH và KT, HN 2002. [5]. Hệ thống điều khiển bằng khí nén - Nguyễn Ngọc Ph−ơng, nhà XBGD, 1999. [6]. Herbert E.Merritt, Hydraulic control systems, Printed in USA, 1967. [7]. Claude Ducos. Oléo - Hydraulique. Technique et documentation, Lavoisier, Paris 1988. [8]. M.Guillon, Hydraulic servo systems analysis and design, London, Butterworths, 1969. [9]. Pneumatics, Basic Level TP 101, Festo Didactic, 1989. 121