Chương 1: Giới thiệu hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực Mục tiêu - Trình bày được các đơn vị đo các đại lượng cơ bản: áp suất, lưu lượng, thể tích, công suất. - Xác định được các loại tổn thất trong hệ thống thuỷ lực. - Trình bày được các yêu cầu của dầu dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. - Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập.
Sơ lược về lịch sử phát triển hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực Thuỷ lực, là ngành khoa học về truyền lực và chuyển động trong trong môi trường chất lỏng giới hạn, chất lỏng giới hạn. Đây chỉ là phạm vi hẹp trong thuỷ lực, bởi vì thủy lực bao quát mọi nghiên cứu và ứng dụng chuyển động của chất lỏng từ hệ thống tưới tiêu đến các hệ thống thủy lực công nghiệp. Thủy lực đã được loài người ứng dụng từ thời kỳ Hy Lạp cổ đại. Tên gọi hydrau-líc(thủy lực) xuất phát từ tiếng Hy Lạp “Hydros”, có ý nghĩa là nước.
Trước công nguyên, nhà khoa học Archimedes đã phát minh ra thiết bị dùng để bơm nước. Guồng nước Archimedes, gồm ống và vít xoắn quay để tải nước, để tải nước, Ngày nay vẫn được vẫn được sử dụng trong hệ thống thoát nước ở châu Âu. Gần với thời kỳ Archimedes cũng chế tạo tua-bin sơ để khai thác nguồn năng lượng của chất lỏng chuyền động. Tuy nhiên, bánh xe nước hình thức của tua – bin sơ khai, có lẽ đã có từ 5000 năm trước ở Trung Hoa và Ai Cập.
Vào thời kỳ phục hưng Leonardo Da Vince đã có những sáng chế quan trọng về các máy móc họat động dựa trên dòng chảy, mạc dầu ông chưa có khái niệm về áp suất. Hơn một trăm năm sau, Evange Lista Torricelli đã quan sát nguyên lý của khí áp kế thủy ngân va liên quan với trọng lượng của khí quyển. Dựa trên những khám phác của Torricelli, nhà khoa học ngừoi Pháp, Blaise Pascal đã tìm ra nguyên lý đòn bẩy thủy lực đã phát triển trong vài trăm năm. Ứng dụng công nghiệp đầu tiên của thủy lực vao năm 1795, khi ma Joseph Bramah phát minh ra máy ép thủy lực đầu tiên.
Sử dụng nước làm môi chất thủy lực và áp dụng định luật Pascal để đạt được lực cơ học lớn, được khuyếch đại nhiều lần. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực 7 1. Ưu điểm Truyền động được công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng). Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, (dễ thực hiện tự động hoá theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn).
Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau. Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh (như trong cơ khí và điện). Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành.
Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn. Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch. Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hoá. Nhược điểm Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng.
Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn. Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi. Các định luật của chất lỏng. Áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng và ngoại lực) tác dụng lên mỗi phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa.
Áp suất thủy tĩnh 8 Ta có: Hình a: pS = h.3) Trong đó: - khối lượng riêng của chất lỏng; h- chiều cao của cột nước; g- gia tốc trọng trường; pS- áp suất do lực trọng trường; pL- áp suất khí quyển; pF- áp suất của tải trọng ngoài; A, A1, A2- diện tích bề mặt tiếp xúc; F- tải trọng ngoài. Phương trình dòng chảy liên tục Lưu lượng (Q) chảy trong đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi (const). Lưu lượng Q của chất lỏng qua mặt cắt A của ống bằng nhau trong toàn ống (điều kiện liên tục). Ta có phương trình dòng chảy như sau: Hình 1.
Dòng chảy liên tục Q = A.4) Với v là vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A. 9 Nếu tiết diện chảy là hình tròn, ta có: Q1 = Q2 hay v1.6) Vận tốc chảy tại vị trí 2: (1.7) Trong đó: 3 2 Q1[m /s], v1[m/s], A1[m ], d1[m] lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 1; 3 2 Q2[m /s], v2[m/s], A2[m ], d2[m] lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 2. Phương trình Bernulli Ta có áp suất tại một điểm chất lỏng đang chảy: (1.8) Trong đó: : Áp suất thủy tĩnh, : Áp suất thủy động, : Trọng lượng riêng. Phạm vi ứng dụng Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp như: máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy công cụ gia công kim loại, máy dập, múc xúc, máy tời.
Dưới đây là một số ứng dụng của điều khiển thủy lực: 10 Hình 1. Máy ép thủy lực Hình 1. Máy dập thủy lực Hình 1. Máy dập 3D thủy lực 11 Hình 1.
Máy ép khuôn thủy lực Hình 1. Máy cắt thủy lực 12 Chương 2: Thiết bị cung cấp và xử lý dầu Mục tiêu - Phân loại và trình bày được nguyên lý hoạt động cuả các loại bơm, động cơ dầu,. các bộ phận chính cuả thùng dầu, bình trích chứa. - Xác định được các giá áp suất và lưu lượng - Xác định được đường đặc tính của bơm.
- Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập 2. Bơm và động cơ dầu 2.Bơm dầu Là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu (dòng chất lỏng). Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùng bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc, khi thể tích của buồng làm việc tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút và khi thể tích của buồng giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén. Tùy thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân ra hai loại bơm thể tích: Bơm có lưu lượng cố định, gọi tắt là bơm cố định.
Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh. Những thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất. Các loại bơm Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; Bơm bánh răng ăn khớp trong; Bơm pittông hướng trục; Bơm trục vít; Bơm pittông dãy; Bơm cánh gạt kép; Bơm rôto. Bơm pittông hướng tâm; Bơm pittông hướng trục (truyền bằng đĩa nghiêng); Bơm pittông hướng trục (truyền bằng khớp cầu); 13 Bơm cánh gạt đơn.
Bơm bánh răng Cấu tạo Hình 2. Bơm bánh răng Nguyên lý làm việc. Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp,.
Phạm vi áp suất sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10 ÷ 200bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo). Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong, có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chử V. Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn. Lưu lượng bơm bánh răng Khi tính lưu lượng dầu, ta coi thể tích dầu được đẩy ra khỏi rónh răng bằng với thể tích của răng, tức là không tính đến khe hở chõn răng và lấy hai bánh răng cú kích thước như nhau.
Thỡ lượng dầu do hai bánh răng chuyển đi khi nú quay một vũng: 3 Qv = 2.15) Nếu gọi Z là số răng, tính đến hiệu suất thể tích ηt của bơm và số vũng quay n, thỡ lưu lượng của bơm bánh răng sẽ là: 2 3 Qb = 2.16) ηt = 0,76 ÷ 0,88 hiệu suất của bơm bánh răng Bơm trục vít Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng. Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dày và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít. Bơm trục vít thường có 2 trục vít ăn khớp với nhau (hình 2.9) Bơm trục vít thường được sản xuất thành 3 loại: Loại áp suất thấp: p = 10 ữ15bar Loại áp suất trung bình: p = 30 ÷ 60bar Loại áp suất cao: p = 60 ÷ 200bar. Bơm trục vít có đặc điểm là dầu được chuyển từ buồng hút sang buồng nén theo chiều trục và không có hiện tượng chèn dầu ở chân ren.
Nhược điểm của bơm trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp. Ưu điểm căn bản là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ. Bơm cánh gạt Phân loại Bơm cánh gạt cũng là loại bơm được dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và chủ yếu dùng ở hệ thống có áp thấp và trung bình. So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt bảo đảm một lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn.
Kết cấu Bơm cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nhưng có thể chia thành hai loại chính: Bơm cánh gạt đơn. Bơm cánh gạt kép. Bơm cánh gạt đơn 15 Bơm cánh gạt đơn là khi trục quay một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm việc bao gồm một lần hút và một lần nén. Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng trượt), thể hiện ở Bơm cánh gạt kép Bơm cánh gạt kép là khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén 2.
Bơm pittông Phân loại Bơm pittông là loại bơm dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu pittông - xilanh.