Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 1: Giới thiệu truyền động thủy lực - Lê Thể Truyền

Nội dung text: Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 1: Giới thiệu truyền động thủy lực - Lê Thể Truyền

1. TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC và KHÍ NÉN LÊ THỂ TRUYỀN cenintec
2. Lê Thể Truyền TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC ❖Tài liệu tham khảo ▪ Power Hydraulic, Michael J. Pinches and Jonh G. Ashby, Prentice Hall, 1989. • Chương 1 Introduction • Chương 2 Pumps • Chương 3 Hydraulic valves • Chương 4 Actuators ❖Tìm mua tại: ▪ Quầy photo copy TRI, ki-ốt số 52, 142 Tô Hiến Thành (trước cổng bệnh viện Trưng vương) Cennitec
3. Lê Thể Truyền GIỚI THIỆU GIỚI THIỆU Lịch sử phát triển Phân loại các hệ thống công suất Nguyên lý truyền động thủy lực Ưu và nhược điểm của hệ thống thủy lực Ký hiệu thủy lực Cennitec
4. Lê Thể Truyền Lịch sử phát triển ❖ Giữa thế kỷ thứ 19, truyền động thủy lực giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp và trong đời sống xã hội. Tại Anh, ví dụ, rất nhiều thành phố trang bị hệ thống thủy lực trung tâm mà bơm được vận hành bằng động cơ hơi nước. ❖ Trước khi truyền động điện được ứng dụng rộng rãi thì truyền động thủy lực công suất có nhiều ưu thế so với các nguồn năng lượng khác tại London. ▪ Tại London, Hydraulic Power Company dùng năng lượng thủy lực để vận hành rất nhiều bộ phận như các cầu trục để nâng các cổng thành ở Kensington và Mayfair. ❖ Tuy nhiên, năng lượng điện trở nên rẻ và phổ biến, các nhà máy xí nghiệp và các thành phố dần giảm bớt sự phụ thuộc vào năng lượng thủy lực. Cennitec
5. Lê Thể Truyền MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC Dùng trong các xe cơ giới Cennitec
6. Lê Thể Truyền MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC Hệ thống thủy lực mô phỏng chuyển động của buồng lái máy bay Cennitec
7. Lê Thể Truyền MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THỦY LỰC Hệ thống thủy lực dùng trong xe khai thác rừng Cennitec
8. Lê Thể Truyền Phân lọai các hệ thống công suất ❖ Các hệ thống công suất được dùng để truyền tải và điều khiển công suất. Chức năng này được mô tả như trong hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống công suất: – Nguồn năng lượng: cung cấp năng lượng cơ khí dưới dạng chuyển động quay. Động cơ điện và động cơ đốt trong là các thiết bị được dùng rộng rãi cho chức năng này. Trong các ứng dụng đặt biệt, tua-bin gió hoặc tua- bin thủy lực cũng được sử dụng. – Các thiết bị truyền tải năng lượng, biến đổi và điều khiển. – Tải (cơ khí) dưới dạng chuyển động quay hoặc tịnh tiến. Cennitec
9. Lê Thể Truyền Phân loại các hệ thống công suất trong kỹ thuật Hệ thống công suất Cơ khí Điện Lưu chất Khí nén Thủy lực Thủy động học Thủy tĩnh học Hình 1.2 Phân loại các hệ thống công suất Cennitec
10. Lê Thể Truyền Hệ thống công suất điện T T Động cơ đốt trong e Truyền tải e Tua bin thủy lực Máy phát điện Lưu trữ Động cơ điện Tải Tua bin khí i Điều khiển i ω ω Năng lượng nhiệt Năng lượng thủy lực Năng lượng điện Công Năng lượng khí Năng lượng cơ khí Năng lượng cơ khí Hình 1.4 Sự biến đổi công suất trong hện thống công suất điện Các hệ thống công suất điện chủ yếu giải quyết những tồn đọng trong các vấn đề như là khoảng cách truyền công suất, độ linh hoạt và cải thiện khả năng điều khiển. Ưu điểm: Khả năng truyền tải dài Dễ dàng điều khiển Cennitec
11. Lê Thể Truyền Hệ thống công suất khí nén Khí nén phải được sản xuất và lưu trữ để sử dụng. Quá trình sản xuất khí nén bao gồm các quá trình lọc, làm khô, và thêm dầu bôi trơn vào khí nén. Dầu bôi trơn này rất quan trọng, nhờ nó mà các thiết bị cơ khí trong các van khí nén không bị mòn do ma sát. Khí nén được lưu trữ trong các bình chứa và được truyền thông qua các ống dẫn mềm hoặc các ống cố định. Năng lượng khí nén được điều khiển thông qua tổ hợp các van điều chỉnh áp suất, lưu lượng, và điều khiển hướng. Khi đó, nó được chuyển sang năng lượng cơ khí nhờ các xy lanh và động cơ khí nén. Cennitec
12. Lê Thể Truyền Hệ thống thủy lực công suất Ta xét một xe nâng hàng dùng để nâng tải theo phương thẳng đứng với hành trình là y trong khoảng thời gian Δt. Để thực hiện được chức năng này thì xe nâng phải tác động một lực lên tải theo phương thẳng đứng. Nếu lực ma sát được bỏ qua, tại trạng thái ổn định, lực này bằng trọng lượng của phần tải được dịch chuyển (F = mg). Công sinh ra bởi xe nâng là W = Fy Cennitec
13. Lê Thể Truyền Hệ thống thủy lực công suất Phần năng lượng E là thế năng có được trong khoảng thời gian Δt. Năng lượng cung cấp cho tải trong một đơn vị thời gian chính là công suất N, trong đó N = E/Δt = Fy/Δt = Fv N = Công suất cơ khí cung cấp cho tải, W v = Vận tốc nâng tải, m/s. Cennitec
14. Lê Thể Truyền So sánh các hệ truyền công suất Đặc tính Cơ khí Điện Khí nén Thủy lực Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong Năng lượng vào Động cơ điện Động cơ điện Động cơ điện Tua-bin (thủy/khí) Bình áp suất Tua-bin khí Các bộ phận cơ khí Dây dẫn điện Ống dẫn Ống dẫn Thành phần truyền Cánh tay đòn Từ trường Khớp nối Khớp nối năng lượng Trục, bánh răng Thành phần mang Các thành phần rắn Dòng electron Khí Chất lỏng năng lượng và dẻo Tỉ lệ công suất-tỉ trọng Thấp Trung bình Rất cao Rất cao Mô-men/Quán tính Thấp Trung bình Cao Rất cao Độ cứng Cao Thấp Trung bình Rất cao Vận tốc đáp ứng Trung bình Rất cao Trung bình Cao Độ nhiễm bẩn cho Rất thấp Rất thấp Trung bình Trung bình môi trường Giá thành Rất thấp Thấp Cao Rất cao Khả năng điều khiển Rất thấp Rất cao Cao Cao Chuyển động quay Chuyển động quay Chuyển động quay Chuyển động quay Dạng chuyển động (phần lớn) (phần lớn) Chuyển động tịnh tiến Chuyển động tịnh tiến Cennitec
15. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Lực F Tải W Tải W Lực F L Tiết diện a l Tiết diện A Tâm quay a A Để nâng tải W bằng hệ thống thủy lực này thì chất lỏng phải chảy từ buồng nhỏ sang buồng lớn. Để đạt được điều đó buộc phải có sự chênh lệch về áp suất giữa hai buồng, vì chất lỏng di chuyển từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp. Do vậy để nâng tải W thì áp suất tại buồng nhỏ phải tăng lên, có nghĩa là lực F phải gia tăng một lượng là ΔF. Hơn nữa, để nâng tải W lên một đọan có chiều dài L, chất lỏng phải dịch chuyển từ buồng nhỏ sang buồng lớn với một thể tích là: Thể tích V = A x L = a x l Cennitec
16. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Chất lỏng di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp Cennitec
17. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Áp suất cột chất lỏng Cột chất lỏng tạo ra áp suất tại đáy của nó bởi do trọng luợng của nó, áp suất này sẽ tăng khi chiều cao cột chất lỏng tăng. Chúng ta xem xét áp suất tại đáy của cột chất lỏng có tiết diện là A và có chiều cao là h. Giả sử khối lượng cho một đơn vị thể tích là w. Khối lượng cột chất lỏng = Thể tích x khối lượng riêng = (Ah) x w Áp suất = Trọng lượng / Diện tích = Ahw / A = wh Cennitec
18. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Ví dụ 1.1 Cửa vào của 1 bơm thủy lực nằm dưới mặt thoáng của dầu một khoảng là 0.6 m. Nếu trọng lượng riêng của dầu là 860 kg/m3, tính áp suất tĩnh tại cửa vào của bơm. Cennitec
19. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Lưu lượng ❖ Trong mọi hệ thống ma sát luôn ngược hướng chuyển động. Để tạo ra chuyển động cho một đối tượng, ngọai lực tác động lên đối tượng đó phải thắng được lực ma sát. ❖ Điều này cũng tồn tại trong dòng chảy của lưu chất. Trong ống dẫn chứa lưu chất, cần phải có sự chênh lệch áp suất giữa các đầu ống để tạo nên dòng chảy và chất lỏng di chuyển từ nơi có áp suất cao sang nơi có áp suất thấp. ❖ Độ chênh lệch áp suất càng cao thì lưu lượng càng lớn. Như vậy, khi có sự chênh áp suất thì sẽ có dòng chảy và ngược lại, khi có dòng chảy thì có sự chênh lệch về áp suất. Cennitec
20. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC ❖Đối với dòng chảy tầng, độ chênh lệch áp suất hoặc ma sát cản của thành ống có các đặc tính sau: ▪ Tỉ lệ thuận với chiều dài và đường kính ống dẫn ▪ Tỉ lệ thuận với lượng lưu chất đang chảy ▪ Không phụ thuộc vào áp suất hệ thống ▪ Không phụ thuộc vàp độ nhám của thành ống ▪ Phụ thuộc vào độ nhớt của lưu chất (độ nhớt này thay đổi theo nhiệt độ) Cennitec
21. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Mối quan hệ giữa độ mất áp và lưu lượng trong các ống dẫn có đường kính khác nhau Cennitec
22. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Ví dụ 1.2 ❖Tính kích thước của ống hút và ống đẩy của bơm có lưu lượng là 40 l/min, vận tốc lớn nhất của dòng chảy trong ống hút là 1.2 m/s và trong ống đẩy là 3.5 m/s. Cennitec
23. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Ống đẩy ❖Đừờng kính cần thiết cho ống đẩy cũng được tính tương tự như ống hút đã trình bày phần trên. ❖Với vận tốc dòng chảy trong ống đẩy lớn nhất là 3.5 m/s thì đường kính trong nhỏ nhất của ống đẩy phải là 15.6 mm. Cennitec
24. Lê Thể Truyền NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC ❖ Ví dụ, ống dẫn được sản xuất theo tiêu chuẩn có đường kính ngòai là 20 mm và chiều dày của thành ống là 2.5 mm được chọn cho ống đẩy ở ứng dụng trên. Sở dĩ ta chọn ống này để làm ống đẩy là vì đường kính trong của nó là 15 mm, xấp xỉ với kết quả đã tính tóan ở trên là 15.6 mm. Quá trình tính toán ngược để kiểm tra lại như sau: ▪ Vận tốc dòng chảy = Lưu lượng trong ống / Tiết diện ống ▪ Tiết diện ống là = (π/4) x 152 mm2 = 177 mm2 = 177 x 10-6 m2 ▪ Vận tốc dòng chảy = (40 x 10-3) / (60 x 177 x 10-6) (m3/sm2) = 3.77 m/s ❖ Như vậy, nếu dùng ống đã chọn thì vận tốc dòng chảy trong ống này là 3.77 m/s, cao hơn một ít so với yêu cầu ban đầu là 3.5 m/s. Tuy nhiên, nếu so sánh với vùng vận tốc của dòng chảy trong các ống dẫn có áp để có dòng chảy tầng là 2.1 - 4.6 m/s thì giá trị này là thỏa mãn. Cennitec
25. Lê Thể Truyền Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản ΔPline1 = mất áp giữa bơm và van điều khiển hướng Tải W ΔPvan = mất áp qua van điều khiển hướng ΔPline2 = mất áp giữa van điều khiển hướng và xy lanh ΔP line 3 ΔPline3 = mất áp giữa buồng còn lại của xy lanh và van điều khiển hướng ΔPline 4 = mất áp giữa van điều khiển hướng và bể dầu Hiệu suất xy lanh là 0.9 Pr Tải W = 22 250 N ΔP Giả sử xy lanh có đường kính piston là D = 100 mm, và line 2 Xy lanh Pc ti là d = 70 mm. Diện tích piston xy lanh là: A = πD2/4 Van điều khiển hướng 2 = 3.14 x (10) /4 ΔP van = 78.5 cm2 ΔP = 78.5 x 10-4 m2 line 4 ΔP line 1 Diện tích của ti xy lanh là Van giới hạn Bơm a = πd2/4 áp suất = 3.14 x (7)2 /4 Bể chứa dầu = 38.45 cm2 = 38.45 x 10-4 m2 Cennitec
26. Lê Thể Truyền ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC Các ưu điểm chính của hệ thống thủy lực: -Tỉ số công suất-tỉ trọng cao. -Tự bôi trơn -Không có hiện tượng bão hòa trong hệ thống thủy lực như trong các hệ thống điện. Mô-men của các động cơ điện tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, nhưng nó bị giới hạn bởi hiện tượng bão hòa từ trường. -Tỉ số lực/khối lượng và mô-men/quán tính cao, điều đó dẫn đến khả năng đạt gia tốc cao và đáp ứng nhanh của các động cơ thủy lực. -Độ cứng của xy lanh thủy lực cao, điều đó cho phép dừng tải đột ngột tại các vị trí bất kỳ. -Dễ dàng bảo vệ khi hệ thống quá tải. -Có khả năng tích trữ năng lượng trong các bình tích áp thủy lực. -Độ linh hoạt cao hơn so với các hệ thống cơ khí. -Ứng dụng được cho cả chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. -An toàn, không gây nguy cơ cháy nổ. Cennitec
27. Lê Thể Truyền KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC 1) Ký hiệu mũi tên cắt ngang một thành phần chỉ rằng thành phần đó là điều chỉnh được 2) Đường thẳng nét liền biểu diễn đường dẫn dầu. Nó không chỉ ra bất cứ thông tin nào về áp suất trong ống dẫn. Ống dẫn có thể là ống hút, ống đẩy hoặc ống hồi dầu về chứa. 3) Đường dầu rò, trong các hệ thống truyền động thủy lực nó có vai trò dẫn lượng dầu bị rò rỉ ra bên ngòai của các thành phần thủy lực như van, bơm về bể chứa dầu, được biểu diễn bằng đường nét đứt. Cennitec
28. Lê Thể Truyền KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC 8) Van điều khiển hướng đi của lưu chất được biểu diễn bằng các hình chữ nhật. Van có bao nhiêu vị trí thì được biểu diễn bằng bấy nhiêu hình chữ nhật tương ứng Van hai vị trí Van ba vị trí 9) Các van điều khiển áp suất có thể phân thành hai lọai: lọai van thường đóng và lọai van thường mở. Để biểu diễn một van điều khiển áp suất ta dùng 1 ô hình chữ nhật với đường dẫn đi qua nó. Lò xo điều chỉnh được Lò xo điều chỉnh được Van thường đóng Đường dầu điều khiển Đường dầu điều khiển Cennitec
29. Lê Thể Truyền KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC 11) Tất cả các ký hiệu có chứa đường tròn đều thể hiện một cơ cấu quay, chẳng hạn như bơm hoặc động cơ thủy lực. Hình tam giác tô đen thể hiện hướng đi của lưu chất, đối với ký hiệu biểu diễn bơm thì hình tam giác này hướng ra phía ngòai, còn đối với ký hiệu biểu diễn động cơ thủy lực thì hướng vào phía trong. a) Bơm thủy lực một hướng, thể tích riêng cố định. Cửa đẩy Trục truyền động Cửa hút b) Bơm thủy lực hai hướng, thể tích riêng thay đổi Đường dầu rò rỉ Cennitec
30. Lê Thể Truyền KÝ HIỆU CHO CÁC THÀNH PHẦN THỦY LỰC 13) Bộ lọc và hệ thống làm mát a) Bộ lọc b) Bộ làm mát c) Đồng hồ đo lưu lượng f) Bình tích áp vận hành bằng khí nén Cennitec
31. Lê Thể Truyền BÀI TẬP Bài tập1 Độ chênh áp suất trên bơm là 100 bar, và lưu lượng bơm cung cấp là 60 l/min. Xác định công suất tối thiểu để kéo bơm. Giả thiết rằng hiệu suất hệ thống là 100%. Bài tập 2 Do một số lý do ta không biết được lưu lượng của bơm, và đồng hồ đo lưu lượng cũng không thể lắp vào hệ thống. Một xy lanh không tải có thể dùng để xác định một cách gần đúng lưu lượng của bơm. Xy lanh có hành trình là 203 mm. Thời gian đi ra hết hành trình là 2.4 s. Xác định lưu lượng bơm cấp cho xy lanh. Cennitec
32. Lê Thể Truyền BÀI TẬP Bài tập 4 ΔPline1 = Mất áp từ bơm đến van điều khiển hướng (VDC) = 2.5 bar ΔPM ΔPVDC = Mất áp trên điều khiển hướng (VDC) = 2.2 bar ΔPline2 = Mất áp từ van điều khiển hướng (VDC) đến động ΔP ΔPline3 cơ thủy lực line2 = 0.5 bar ΔP ΔPM = Độ chênh áp trên động cơ thủy lực DVC ΔP = Mất áp từ động cơ đến van điều khiển hướng line3 ΔPline1 ΔPline4 (VDC) = 0.75 bar ΔPline4 = Mất áp từ van điều khiển hướng (VDC) đến bể chứa dầu = 1 bar Van giới hạn áp suất được nối ngay ngõ ra của bơm. Động cơ thủy lực có thể tích riêng là 37.7 cm3/rev và cung cấp mô-men là 1225 Nm. Cần cài đặt cho van giới hạn áp suất ở giá trị bao nhiêu? Cennitec