- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Giáo trình Điều khiển thủy lực (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội
Xem mẫu
- Chương 3: Các phần tử thủy lực thông dụng
Mục tiêu
-Trình bày được ký hiệu, công dụng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cuả các
phần tử thủy lực thông dụng.
- Chọn và lắp ráp được các loại van trong mạch thuỷ lực cơ bản.
- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập.
3.1. Khái niệm hệ thống điều khiển
3.1.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển bằng thủy lực được mô tả qua sơ đồ hỡnh 4.1, gồm
các cụm và phần tử chính, có chức năng sau:
Cơ cấu tạo năng lượng: bơm dầu, bộ lọc (...)
Phần tử nhận tín hiệu: các loại nút ấn (...)
Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa (...)
Phần tử điều khiển: van đảo chiều (...)
Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ dầu.
3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực
Hình 3.1. Cấu trúc hệ điều khiển
3.2. Van áp suất
Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm trị
số áp trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực.
Van áp suất gồm có các loại sau:
Van áp suất được ký hiệu bằng ô vuông, hướng điều khiển được biểu thị
bằng mũi tên. Cửa van được ký hiệu là P (cửa áp suất) và T (nối thùng chứa)
hoặc A và B.
28
- Vị trí của van trong ô vuông biểu thị van là đóng hoàn toàn hay mở hoàn toàn.
A
Van mở
B
A
Lưu lượng từ P đến A
P T
P
Van đóng
T
Một sự khác biệt giữa van áp suất đặt và van áp suất điều chỉnh là mũi tên
xuyên qua lò xo.
P
Van áp suất đặt
T
P
Van áp suất điều chỉnh
T
Van áp suất được chia thành các van an toàn và van điều chỉnh áp suất.
P
Van an toàn
T
P
Van điều áp
A
29
- 3.3 Van đảo chiều
Van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống
thủy lực vượt quá trị số quy định.
Ký hiệu của van tràn và van an toàn:
Phân loại
Theo cấu tạo van an toan có các loại sau:
Kiểu van bi (trụ, cầu)
Kiểu con trượt (pittông)
Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp)
2.1.2. Kiểu van bi, trụ cầu.
Cấu tạo:
Hình 3.2. Van áp suất
Nguyên lý làm việc.
Khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên vượt quá mức điều chỉnh, nó sẽ thắng
lực lò xo, van mở cửa và đưa dầu về bể. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít
điều chỉnh ở phía trên.
Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nhưng có nhược điểm: không dùng được ở
áp suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp
suất trong hệ thống giảm đột ngột.
Kiểu van con trượt
30
- Hình 3.3. Van con trượt
Nguyên lý làm việc
Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng A. Nếu như lực
do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng lượng G
của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4
dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài.
Nghĩa là: p1 ↑ ⇒? pittông đi lên một đoạn x ⇒? dầu ra cửa 2 nhiều ⇒? p1 ↓
để ổn định.
Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc
vào Flx của lò xo.
Loại van này có độ giảm chấn cao hơn loai van bi, nên nó làm việc êm
hơn. Nhược điểm của nó là trong trường hợp lưu lượng lớn với áp suất cao, lò
xo phải có kích thước lớn, do đó làm tăng kích thước chung của van.
Van điều chỉnh hai cấp áp suất
Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít
điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh được áp suất cần thiết. Lò xo 2 có tác dụng lên
bi trụ (con trượt), là loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ.
Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác. Lỗ tiết lưu có đường kính từ 0,8 1 mm.
Cấu tạo
31
- Hình 3.4. Van loxo
Nguyên lý làm việc
Dầu vào van có áp suất p1, phía dưới và phía trên của con trượt đều có áp
suất dầu. Khi áp suất dầu chưa thắng được lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía dưới
và áp suất p2 ở phía trên con trượt bằng nhau, do đó con trượt đứng yên.
Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua con trượt, lên van bi
chảy về bể. Khi dầu chảy, do sức cản của lỗ tiết lưu, nên p1 > p2, tức là một hiệu
áp ∆p = p1 - p2 được hình thành giữa phía dưới và phía trên con trượt. (Lúc này
cửa 3 vẫn đóng)
Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2 ⇒ lúc này cả 2 van đều hoạt động.
Loại van này làm việc rất êm, không có chấn động. áp suất có thể điều
chỉnh trong phạm vi rất rộng: từ 5 63 bar hoặc có thể cao hơn.
Van giảm áp
Van giảm áp là một dạng van áp suất có tác dụng giữ áp suất đầu ra của
van ở một giá trị thiết lập sẵn thấp hơn áp suất đầu vào. Van giảm áp được phân
thành hai dạng van
32
- Hình 3.5. Van giảm áp
Van bao gồm phần từ điều khiển dạng Pittong, pittong này ép vào đế bởi lò
xo, lực ép của lò xo được điều chỉnh bởi vít xoay điều chỉnh. Cửa đầu vào của
thân van nối với ống dẫn áp suất cao, cửa đầu ra cảu van nối với ống dẫn áp suất
thấp. Ở vị trí ban đầu của van là vị trí bị ép vào đến đỡ, cửa vào và cửa ra không
thông nhau. khi tăng áp suất cửa vào, áp suất này càng lớn thì tiết diện thông
nhau giữa hai cửa càng lớn, áp suất đầu ra càng lớn.
Van giảm áp dạng 2: Van ổn áp
Dạng van này giữ cố định áp suất tại cửa ra của van mà không phụ thuộc
vào độ biến động của áp suất của dòng lưu chất tới hoặc đi khỏi van. Van dạng
này được chia làm hai loại: van tác động trực tiếp và van tác động gián tiếp
Van giảm áp tác động trực tiếp
– Cấu tạo của van gồm: Thân van, Pittong điều khiển, Lò xo, núm điều
chỉnh, rãnh nối.
Hình 3.6. Van điều khiển
Nguyên lý hoạt động của van:
33
- Tại vị trí ban đầu, van mở hoàn toàn, độ rộng của cửa ra thiết lập bởi vít
điềuchỉnh. Tác dụng của van hầu như giữ giá trị áp suất đầu ra không đổi.
Trong trường hợp giá trị áp suất đầu ra tăng lên trong hệ thủy lực, áp suất
khoang trống nối với cửa ra của van bằng rãnh nối cũng tăng, đẩy pittong điều
khiển đi lên làm giảm tiết diện của của ra, dẫn tới làm giảm áp suất đầu ra. Khi
áp suất đầu ra giảm thì pittong điều khiển đi xuống làm tăng tiết diện cửa thoát,
kéo theo làm tăng áp suất đầu ra. Như vậy quá trình này làm cho áp suất đầu ra
gần như không thay đổi.
Van giảm áp tác động gián tiếp
Van chính gồm ống trượt có dạng trụ với các đoạn có kích thước khác
nhau, lò xo cố định với độ cứng nhỏ, thân van có các rãnh nối các khoang chứa
với cửa ra, trên ống trượt cũng có rãnh nối giữa các khoang. Van phụ có dạng bi
trượt, gồm bi điều khiển, lò xo phụ, vít điều chỉnh lò xo.
Hình 3.7. Van áp suất gián tiếp
Nguyên lý hoạt động:
Khi lò xo phụ thiết lập một áp suất đầu vào của van, ống trượt ở vị trí ban
đầu, áp suất trong các khoang chứa như nhau, lưu chất qua van một cách tự do.
Khi thiết lập lò xo phụ một giá trị áp suất đầu ra lớn hơn áp suất đầu vào,
van phụ sẽ mở, lưu chất trong khoang gần van phụ sẽ thoát ra một lượng nhỏ.
Nhờ đó dòng chảy qua rãnh trên ống trượt được hình thành. Khi đó, áp suất tại
khoang đó sẽ giảm xuống và ống trượt chính bị nâng lên, giảm tiết diện thông
nhau giữa khoang phía dưới. Quá trình đó lặp đi lặp lại, làm cho ống trượt thực
hiện dao động quanh vị trí thiết lập. Mọi sự thay đổi áp suất đầu vào và áp suất
34
- đầu ra đều kéo theo sự dịch chuyển của ống trượt. Áp suất đầu ra luôn được giữ
cố định
3.4. Van tiết lưu
Tiết lưu 2 chiều , thay đổi được lưu lượng.
Khi điều chỉnh vít 2, tiết diện 3 thay đổi. tiết lưu được 2 chiều từ A qua B
và ngược lại
Van tiết lưu một chiều
Tiết lưu 1 chiều , thay đổi được lưu lượng.
Khi điều chỉnh vít 1, tiết lưu khe hơ 3 thay đổi, tiết lưu lưu được chiều từ
A sang B. Khi dầu đi từ B sang A, qua van một chiều 2 không tiết lưu được
Van tiết lưu có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống nên hệ thống
luôn có đầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, giúp cho thiết bị làm việc êm và giảm
va đập.
3.5. Bộ ổn tốc
Bộ ổn tốc lắp trên đường vào của cơ cấu chấp hành
Hình 3.8. Van tiết lưu
35
- Giải thích: giả sử FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông van giảm áp sang trái ⇒ cửa ra của
van giảm áp mở rộng ⇒ p3 ↑ để dẫn đến Äp = const.
Trên đồ thị: p1 ≥ p2 + pms (4.10)
+/ Khi p1 ↑ ⇒ p3 ↑ ⇒ Äp = const ⇒ v = const.
+/ 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 ⇒ Äp = p3 - p1 (p3 = p0) ↓ ⇒ v ↓ và đến
khi p1 = p3 = p0 ⇒ Äp = 0 ⇒ v = 0.
Bộ ổn tốc lắp trên đường ra của cơ cấu chấp hành ổn định tốc độ khi điều
chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết lưu ở đường vào
36
- Lưu lượng của bơm được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e. Khi
làm việc, stato của bơm có xu hướng di động sang trái do tác dụng của áp suất
dầu ở buồng nén gây nên.
Hình 3.9. Van tiết lưu
Ta có phương trình cân bằng lực của stato (bỏ qua ma sát):
Flx + p1.F1 - p0.F2 - k.p0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm)
Nếu ta lấy hiệu tiết diện F1 - F2 = k ⇔ F1 = F2 + k
Lưu lượng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc trưng bằng p1, p0).
37
- Giả sử: FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm sang phải ⇒
e ↑ ⇒ p0 ↑ ⇒ Äp = p0 - p1 = const.
3.6. Van chặn
3.6.1.Van một chiều
Chỉ cho dòng dầu chạy theo một lực do dầu gây ra lớn hơn lực lò xo
Hình 3.10. Van chặn
3.6.2. Van một chiều điều khiển được hướng chặn
Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều.
Nhưng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoài tác
động vào cửa X.
Hình 3.11. Van điều hướng
a. Chiều A qua B, tác dụng như van một chiều;
b. Chiều B qua A có dòng chảy, khi có tác dụng tín ngoài X;
c. Ký hiệu.
3.7. Xi lanh thủy lực (cơ cấu chấp hành)
Xy lanh tác động kép.
a. Cấu tạo
38
- Hình3.12. Cấu tạo xylanh tác động kép
1: Thân
2; 3: Mặt bích hông
4: Cần pittông
5: Pittông
6: Ổ trượt
7: Vòng chắn dầu
8: Vòng đệm
9: Tấm nối
10; 14: Vòng chắn hình O
11: Vòng chắn pittông
12; 17: Ống nối
13: Tấm dẫn hướng
15: Đai ốc
16: Vít vặn
Nguyên lý làm việc: Xylanh tác động kép cho phép chất lỏng tác dụng cả hai
chiều tạo nên chiều di chuyển hai chiều của pittông
Sơ đồ mạch với xylanh tác động kép
39
- Tính toán xilanh truyền lực
- Diện tích A, lực F, và áp suất P
(Lực F, và áp suất P trong xylanh)
+ Lực Ft = P.A
+ Áp suất
Trong đó:
A: Diện tích tiết diện pittông (cm2)
D: Đường kính của xylanh (cm)
d: Đường kính của cần pittông (cm)
P: Áp suất (bar)
Ft: Lực (kN)
Nếu tính đến tổn thất thể tích ở xylanh, để đơn giản, ta chọn
40
- + Áp suất:
+ Diện tích pittông:
d: Đường kính của pittông (mm)
η: Hiệu suất, lấy theo bảng sau:
P 20 120 160
(bar)
η 85 90 95
(%)
Như vậy pittông bắt đầu chuyển động được khi lực Ft > FG + FA + FR
Trong đó:
FG: Trọng lượng
FA: Lực gia tốc
FR: Lực mát
- Quan hệ giữa lưu lượng Q, vận tốc v và diện tích A
Lưu lượng chảy vào xylanh tính theo công thức sau:
Q = A.v
Ví dụ: Cho cơ cấu ép thủy lực như hình vẽ dưới. Hãy tính lực tác dụng (F)
và thời gian (t) của hành trình ép.
Giải:
- Gọi F là lực tác dụng lên pittông.
41
- Phương trình cân bằng lực:
Suy ra F = F1 - F2 =
- Thời gian t của hành trình ép
Có suy ra
Xy lanh quay
- Cấu tạo: Cấu tạo của xylanh quay thể hiện
- Xylanh quay có khả năng tạo mômen quay rất lớn. Góc quay phụ thuộc
vào số cánh gạt của trục. Đối với xylanh có một cánh gạt, góc quay có thể đạt
270 – 2800 . Giá trị lý thuyết mô men quay M và vận tốc góc trên trục xylanh có
thể tính theo công thức:
Trong đó:
P: Lực áp suất tác động lên cánh gạt
R: Khoảng cách từ trọng tâm diện tích làm việc của cánh gạt đến tâm
quay
∆P: Chênh lệch áp suất giữa hai phía cánh gạt
D: Đường kính trong của xylanh
d: Đường kính trục lắp cánh gạt
b: Chiều rộng cánh gạt (theo chiều dài xylanh)
Nếu sử dụng nhiều cánh gạt thì mô men quay sẽ tăng với số lần bằng cánh
gạt, nhưng góc quay sẽ giảm với số lần như thế.
42
- Hình 3.13. Xylanh
3 thông số quan trọng nhất của một xy lanh thủy lực là: Đường kính lòng
xy lanh (bore), thường được ký hiệu là D; đường kính cán (rod) – d và hành
trình làm việc (stroke), tức là khoảng chạy của cán xy lanh, - s.
D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/kéo cho xy lanh
S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xy lanh đó.
3.8. Ống dẫn, ống nối
Hình 3.14. Đường dẫn
Yêu cầu ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là
ống dẫn cứng (vật liệu ống bằng đồng hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và
0
ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 135 C).
43
- Ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ
nhất. Để giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để
tránh sự biến dạng của tiết diện và sự đổi hướng chuyển động của dầu.
Vận tốc dầu chảy trong ống
ở ống hút: v = 0,5 ữ 1,5 m/s
ở ống nén: p < 50bar thì v = 4 - 5 m/s
p = 50 - 100bar thì v = 5 - 6 m/s
p > 100bar thì v = 6 - 7 m/s
ở ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m/s
Các đường ống hút ///
Các đường ống nén /
Các đường ống xả //
Chọn kích thước đường kính ống
Ta có phương trình lưu lượng chảy qua ống dẫn:
Q = A.v
Trong đó:
Tiết diện:
⇔
Trong đó: d [mm];
Q [lít/phút];
v [m/s].
Vậy kích thước đường ống dẫn là:
Các loại ống nối
Yêu cầu
Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu tương đối cao về độ bền và độ
kín. Tùy theo điều kiện sử dụng ống nối có thể không tháo được và tháo được.
44
- Các loại ống nối
Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối ống dẫn với các phần tử thủy lực, ta
dùng các loại ống nối được thể hiển như hình dưới ống nối vặn ren; ống nối siết
chặt bằng đai ốc.
Hình 3.15. Đường dẫn có ren
45
- Chương 4: Các phần điện - thuỷ lực cơ bản
4.1. Các phần tử điện
Điều khiển” là một quá trình của một “hệ thống”, trong đó một hay nhiều
đại lượng vào (tín hiệu vào) sẽ làm ảnh huởng đến 1 hay nhiều đại lượng ra (tín
hiệu ra).
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu
chấp hành được nối kết với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những
nhiệm vụ theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như hình 6.1
Hình 4.1. Hệ thống điều khiển thủy lực.
Tín hiệu vào: nút ấn, công tắc; công tắc hành trình, cảm biến.
Phần tử xử lý thông tin: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc nhất
logic xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển:
Van logic AND, OR, NOT, Flip – Flop...
Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo
yêu cầu, hay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều,
van tiết lưu...
Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại
lượng ra của mạch điều khiển: xilanh thủy lực, động cơ thủy lực.
Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất.
Phần thông tin:
46
- Phần tử công suất:
- Điện: công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, nhanh
- Thủy: công suất vừa, quán tính, tốc độ cao.
Các loại tín hiệu điều khiển
Trong hệ thống thủy lực nói chung chúng ta sử dụng hai loại tín hiệu
chính: Tín hiệu tương tự (hình 6.2a), tín hiệu rời rạc (số) (hình 6.2b)
Hình 4.2a. Tín hiệu tương tự Hình 4.2b. Tín hiệu rời rạc
Điều khiển vòng hở (mạch điều khiển hở)
Hệ thống điều khiển vòng hở là không có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra
với tín hiệu đầu vào, giá trị thực thu được và giá trị cần đạt không được điều
chỉnh, xử lý.
Hình 4.3 mổ tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực.
Điều khiển vòng kín (Mạch điều khiển có khâu phản hồi)
Hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào.
Độ chênh lệch của hai tín hiệu vào – ra được thông báo cho thiết bị điều khiển,
để thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối tượng điều khiển sao
cho giá trị thực luôn đạt được như mong muốn.
47
nguon tai.lieu . vn
