CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Nội dung Chương ỉ sẽ trình bày về nguyên lý, đặc trưng cơ bản của truyền động khí nén, thủy ỉực, ưu nhược điểm của hai dạng truyền động này. Từ đó người học có thể phân tích ỉựa chọn phương án truyền động cho các hệ thống thiết bị. Ngoài ra chương này cũng trình bày một so đại lượng cơ bản, kiến thức vật lý liên quan (Lực, ảp suất, công suất thủy lực, cảc định luật cơ bản của chất lỏng, chất khí.) để làm cơ sở cho việc mô tả nguyên lý hoạt động của các phần tử trong hệ thắng và ứng dụng cho các tính toán liên quan ở các chương kế tiếp.1 KHÁI QUÁT VẺ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN, THỦY LỤC 1.1 Nguyên lý truyền động Khác với truyền động cơ khí hoặc truyền động điện, truyền động khí nén, thủy lực sử dụng dòng lưu chất (Fluid) đe thực hiện truyền tải và điều khiển năng lượng cho các thiết bị, cơ cấu chấp hành. Hệ thống khí nén dùng lưu chất là không khí nén còn hệ thống thủy lực dùng dầu hoặc các chất lỏng khác.
Lưu chất Hình LI: Nguyên lý truyền động khí nén, thủy lực Các đại lượng chuyển đổi: Năng lượng của dỏng lưu chất (khí hoặc lỏng) được đặc trưng bởi 2 đại lượng cơ bản là áp suất (P) và lưu lượng (0 được chuyển đổi thành cơ năng thông qua các đại lượng: lực (F), mô men (M) hoặc vận tốc di chuyển (v). Năng lượng Cơ năng tác dòng lưu chất động lên cơ cấu Ĩp,Q) (F, Mị v) Hình 1.2: Các đại lượng chuyển đổi năng lượng Trong hệ thống thủy lực, dựa vào tính chất tác động của lưu chất người ta chia bài toán năng lượng thành 2 dạng: thủy tĩnh học (Hydrostatics) và thủy động lực học (Hydrodynamics) như thể hiện trên Hình 1. 10 Giảo trình Hệ thống truyền động Khí nén - Thúy lực p Công sinh ra do áp suất tác Công sinh ra do động năng của động ỉên diện tích bề mặt dòng chất lỏng Hình 1.3: Thủy tĩnh và thủy động lực học 1.2 Lưu chất truyền dẫn Lưu chất (Fluids) truyền dẫn năng lượng dùng trong các hệ thống khí nén, thủy lực gồm 2 dạng: chất khí (Gases) và chất lỏng (Liquids). Hệ thống khí nén sử dụng lưu chất truyền dẫn là chất khí, còn hệ thống thủy lực dùng chất lỏng.
Đối với một chất khí bất kỳ chúng luôn điền đầy thể tích bình chứa (hình 1.4a), với chất lỏng khi chứa trong một thể tích bất kỳ (thùng, bể chứa.) chúng luôn hình thành lớp bề mặt tự do (Free surface) để ngăn cách chất lỏng đó với không khí (cỏn được gọi là mặt thoáng). Ngoài ra với chất khí thì khối lượng riêng của nó luôn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất còn với chất lỏng thì gần như thay đổi không đáng kể khi thay đổi nhiệt độ và áp suất của nó. Trong công nghiệp hệ thống truyền động thủy lực dùng lưu chất là các loại dầu thủy lực, còn hệ thống truyền động khí nén dùng nguồn lưu chất là không khí nén. Mặt thoáng Chất lóng a) Chất khí luôn điển đầy thế tích chứa b) Be mặt tự do của chất lỏng Hình ỉ.
Thể tích chứa chất khí và mặt thoáng chất lỏng 1.2 ỨNG DỤNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN, THỦY Lực Truyên động khí nén thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực công nghiệp, giao thông, xây dựng và các thiết bị dân dụng (Hình 1. Trong công nghiệp, hầu hết các dây chuyền sản xuất, chế tạo và lắp ráp tự động như các dây chuyên thiêt bị súc rửa chai, đóng gói, lăp ráp linh liện điện tử, máy ép, máy dập thủy lực.đều sử dụng hệ thông truyền động khí nén hoặc truyền động thủy lực, hoặc kết hợp cả truyền động khí nén và thủy lực. Truyên động thủy lực thường dùng cho các ứng dụng tải trọng lớn, cần điều khiển chính xác vị trí hành trình: các máy công cụ (hệ thống kẹp phôi bằng thủy lực, hệ thống thay dao dùng khí Chương ỉ: Giới thiệu 11 nén.), các thiết bị nâng hạ tải trọng (xe nâng, cần cẩu thủy lực.), thiết bị ép cọc bê tông, các xe chuyên dụng (xe ủi, xe xúc). Truyền động khí nén thường dùng cho tải trọng nhỏ, chuyển động nhanh, chi phí đầu tư thấp: thiết bị cấp phôi, đóng nắp, dán nhãn, phương tiện giao thông (đóng mở cửa xe buýt).
Trên các thiết bị, công cụ cầm tay (đục hơi, máy đóng đinh, thiết bị mở bu lông.) thường sử dụng truyền động khí nén. Ngoài ra người ta còn dùng năng lượng dòng khí nén để vận chuyển các nguyên liệu trong sản xuất công nghiệp. Máy đóng gói dùng khí nén Máy ép thủy lực ứng dụng thủy lực trên xe xúc, xe ủi Thiết bị mở bu lỏng dùng khí nén Hình 1. úhg dụng truyền động khí nén, thủy lực 1.3 ĐẶC TRƯNG, ƯU NHƯỢC ĐIẺM CỦA TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN, THỦY LỤC 1.1 Đặc trưng cơ bản của truyền động khí nén, thủy lực - Độ an toàn khi quá tải lớn.
- Tốc độ truyền động khá cao, nhất là đối với hệ thống khí nén có thể đạt 1 - 2m/s. - Tốc độ xử lý tín hiệu chậm hơn so với truyền động điện. - Dễ dàng cho việc điều chinh vô cấp nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống (lưu lượng, áp suất) dẫn tới thuận lợi cho việc thay dổi các thông số hoạt động của thiết bị như vận tốc di chuyển, lực tác động. - Tôn thât và giá thành năng lượng khá lớn so với truyền dộng điện hoặc cơ.
12 Giảo trình Hệ thống truyền động Khí nén - Thủy lực - Truyền động đơn giản và hiệu quả nhất là khi cần thực hiện các chuyển động tịnh tiến (dùng xi lanh). - Có khả năng tạo chuyển động quay với công suất lớn, thể tích và trọng lượng thiết bị nhỏ gọn. Tuy nhiên giá thành năng lượng cho trường hợp này rất cao.1 so sánh một số đặc tính cơ bản của các dạng truyền động cơ bản Bảng 1. Đặc tính cơ bản của truyền động khí nén và truyền động thủy lực Tiêu chí Truyền động điện Truyền động thủy lực Truyền động khí nén Giá thành năng Thấp Cao Rất cao lượng Nguồn dự trữ Khó khăn, phù hợp năng lượng cho nguồn dự trữ Bị giới hạn Dễ dàng nhỏ (àc qui, pin) Mang năng lượng Electron Dầu Khí nén Tốc độ hoạt động V = 0,5 m/s V = 1,5 m/s Chuyển động tịnh Thêm cơ cấu Đơn giản, dễ điều khiển Đơn giản, khó điều tiến chuyển đổi tốc độ, lực lớn khiển tốc độ, lực nhỏ Chuyển động Đơn giản và hiệu Đơn giản, mô men cao, Đơn giản, mô men quay quả tốc độ thấp thấp, hiệu suất thấp Sai lệch vị trí hành Nhỏ, ±0,00 Imm, Nhỏ, ±0,0 lmm, giá > 0,1 mm và tùy thuộc trình dễ cải thiện thành cải thiện rất cao vào tải trọng.2 Ưu nhược điểm của truyền động khí nén, thủy lực a) Đối vói truyền động khí nén ưu điểm: - về số lượng, không khí có sẵn ở mọi nơi, số lượng không hạn chế.
- về lưu trữ, có thể nén và chứa trong các bình để lưu trữ - Cấu tạo các trang thiết bị khá đơn giản và rẻ tiền, các phần tử được tiêu chuẩn hóa cao, dễ dàng thay thế, bảo dưỡng. - về mặt môi trường, không gây ô nhiễm nếu có rò rỉ và không phải xử lý trước khi thải ra môi trường, không gây cháy. Nhược điểm: - Dòng khí nén thoát ra ngoài thường gây tiếng ồn. - Lực truyền tải nhỏ và bị khống chế bởi áp suất làm việc.
- Vận tốc của cơ cấu chấp hành khó điều khiển chính xác, và chịu ảnlì hưởng nhiều bởi tải trọng bên ngoài (do không khí bị nén) - Tốc độ xử'lý tín hiệu thấp so với điện. - Khó truyền dẫn đi xa và yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn đối với các thiết bị chịu áp. Chưcrng ỉ: Giới thiệu 13 b) Đối vói truyền động thủy lực Ưu điểm’. - Truyền được công suất cao và tải trọng lớn.
- Có thể điều chỉnh vô cấp về lực, hành trình và tốc độ di chuyển của cơ cấu chấp hành. - Tốc độ làm việc ổn định và khồng phụ thuộc vào tải trọng. - Làm việc êm và không phải bôi trơn. - Kết cấu gọn, quán tính nhỏ nên được dùng nhiều trong các hệ thống tự động.
Nhược điểm: - Tổn thất cao và hiệu suất thấp hơn so với truyền động cơ khí. - Nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc làm thay đổi các tính chất hóa lý của dầu, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. - Dễ rò rỉ dầu thủy lực, lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường. - Vận tốc chuyển động bị hạn chế vì phải đề phòng sự va đập thủy lực, tổn thất cột áp, tổn thất công suất và xâm thực.
- Các phần tử của hệ thống thủy lực yêu cầu độ chính xác gia công rất cao nên giá thành thiết bị cao.4 MỘT SÔ ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ THƯỜNG DÙNG 1.1 Khối lưọng riêng Khối ỉưọng riêng p của vật chất là đại lượng vật lý biểu diễn khối lượng của một đơn vị thể tích chất đó. p - y ; kg/m (11) Ngoài khối lượng riêng, đôi khi người ta còn sử dụng trọng lượng riêng y r = ^ = ^y~= P's ; N/m’ ơ-2) Với ^klà trọng lượng của vật, đại lượng này sẽ tuyến tính với khối lượng của nó.g ; (N) Tỷ trọng chất lỏng ổ là tỷ lệ giữa khối lượng riêng chất đó (p) so với khối lượng riêng của nước (pnuoc), với nước nguyên chất ở 4°c thì pnuoc=\. ỗ Pmoc Ỵnuoe Trong đó: m: khối lượng vật, kg g: gia tốc trọng trường, m/s2 p: khối lượng riêng, kg/m3 y: trọng lượng riêng, N/m3 14 Giáo trình Hệ thống truyền động Khí nén - Thủy lực 1.2 Áp suất (Pressure) Áp suất p là đại lượng vật lý được xác định bằng tỉ số của lực tác động vuông góc lên bề mặt một đon vị diện tích.3) A Trong đó: F: lực tác động, N A: diện tích bề mặt tác động, m2 P: áp suất, N/m2 Trong hệ Sĩ (Bảng 1.2), đon vị đo áp suất thường dùng là Pa (Pascal) hoặc bar 1 Pa (Pascal) = 1 N/m2' 1 bar = 105 N/m2 Trong hệ mét (Bảng 1.2) dùng kgf/cm2 (kilogram lực/cm2).104 N/m2 Các nước thuộc khối liên hiệp Ạnh - Mỹ dùng đon vị đo áp suất PSI (Pound force per Square Inch) được ký hiệu là lbf/in2. 1 lbf/in2 = 6897 N/m2 và thường được lấy tròn: 1 bar = 14,5 lbf/in2 (PSI) Các dạng áp suất: Theo biểu đồ quan hệ áp suất trên hình 1.6 ta có các dạng áp suất: - Áp suất tuyệt đối (Absolute pressure) Pabs là giá trị áp suất đo lấy theo điểm gốc tại giá trị chân không tuyệt đối (complete vaccum), ví dụ bên ngoài bầu khí quyển.
