Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Chương HỆ THỐNG THỦY LỰC 5.1 Tổng quan hệ thống thủy lực Hệ thống thuỷ lực (Hydraulic systems) sử dụng nhiều ngành chế tạo máy đại cơng nghiệp lắp ráp Ngồi ra, cơng nghệ thuỷ lực ứng dụng số lĩnh vực đặc biệt khác hàng hải, khai thác hầm mỏ, hàng khơng… Trong hệ thống thuỷ lực, chất lỏng có áp suất đóng vai trị trung gian truyền lực chuyển động cho máy cơng nghệ Q trình biến đổi truyền tải lượng mơ tả hình 5.1 Hình 5.1 Các ứng dụng thuỷ lực chia thành hai lĩnh vực chính: - Thiết bị thuỷ lực tự hành (Mobile hydraulics): di chuyển bánh xe đường ray Phần lớn số có đặc trưng thường sử dụng van điều khiển tay - Thiết bị thuỷ lực cố định (stationary hydraulics): làm việc vị trí cố định, thường sử dụng van điện từ kết hợp với thiết bị điều khiển điện- điện tử * So sánh công nghệ thuỷ lực với dạng khác: Xét vai trò tạo lực, chuyển động tín hiệu, ta so sánh dạng thiết bị truyền động thường sử dụng: điện, khí nén thuỷ lực Có thể tham khảo bảng sau (Bảng 5.1) Qua bảng so sánh, tóm tắt ưu điểm nhược điểm quan trọng công nghệ thuỷ lực: Một số ưu điểm quan trọng: - Truyền động cơng suất lớn với phần tử có kích thước nhỏ - Khả điều khiển vị trí xác - Có thể khởi động với tải trọng nặng - Hoạt động êm, trơn không phụ thuộc vào tải trọng chất lỏng khơng chịu nén, thêm vào cịn sử dụng valve điều khiển lưu lượng - Vận hành đảo chiều êm ả - Điều khiển, điều chỉnh tốt 68 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Bảng 5.1 Vận tốc làm việc Giá thành nguồn Chuyển động thẳng Truyền động điện Cao Thấp Tỷ lệ 0.25:1:2.5 Khó, giá thành cao Chuyển động quay Đơn giản với dải cơng suất Độ xác Độ xác đến điều khiển vị trí ±1μm dễ dàng đạt Tính ổn định Ổn định cao Lực Có thể thực lực truyền động cao khả tải Truyền động thủy lực Truyền động khí nén Khoảng 0,5 m/s Khoảng 1.5m/s Cao Rất cao Đơn giản, lực lớn, Đơn giản, lực giới hạn, dễ điều chỉnh tốc độ tốc độ lớn phụ thuộc tải trọng Đơn giản, mô men Đơn giản,tốc độ cao quay lớn, tốc độ thấp hiệu Độ xác ±1μm Khi khơng tải đạt đạt phụ 1/10 mm thuộc vào chi phí Cao dầu chịu nén, Thấp, khơng khí có tính mức áp suất đàn hồi lớn đáng kể so với khí nén Có khả chịu q tải Có khả chịu lớn, hệ thống áp suất lên tải, lực truyền động bị tới 600 bar, lực đạt giới hạn khí nén tới 3000 kN đường kính xi lanh, thường F< 30 kN bar Một số nhược điểm quan trọng: - Có thể gây bẩn, nhiễm mơi trường - Nguy hiểm gần lửa - Nguy hiểm áp suất vượt mức an toàn (đặc biệt với ống dẫn) - Hiệu suất thấp 5.2 Cấu trúc hệ thống thủy lực (Hình 5.2) Sơ đồ mơ tả cấu trúc hệ thống thủy lực biểu diến hình 5.2 Một hệ thống thủy lực chia hai thành phần chính: - Phần thủy lực - Phần tín hiệu điều khiển Phần thủy lực, gồm: • Khối nguồn thủy lực (Power supply section): thực chất biến đổi lượng ( Điện - - thủy lực) Khối nguồn thủy lực gồm: Động điện; bơm thủy lực; van an toàn; bể chứa dầu; cấu thị áp suất, lưu lượng… • Khối điều khiển dòng thủy lực (Power control section ) Trong hệ thống thủy lực, lượng truyền dẫn bơm cấu chấp hành đảm bảo giá trị xác định theo yêu cầu công nghệ lực; mô men; vận tốc tốc độ quay Đồng thời phải tuân thủ điều kiện vận hành hệ thống Vì vậy, van lắp đặt đường truyền đóng vai trị phần tử điều khiển dịng lượng Ví dụ van: Van đảo chiều; van tiết lưu; van áp suất; van chiều… Các van có vai trị phần tử điều khiển điều chỉnh áp suất hay lưu lượng, chúng có đặc điểm chung gây tổn thất áp suất • Các cấu chấp hành (drive section) như: xilanh (cylinders), động thủy lực (Hydro-motors) 69 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Phần tín hiệu điều khiển, gồm: • Các phần tử đưa tín hiệu (signal input) như: tác động người vận hành (thông qua công tắc, nút ấn, bàn phím…); khí ( cơng tắc hành trình) cảm biến ( không tiếp xúc – cảm biến cảm ứng từ, cảm biến từ hóa…) • Các tác động xử lý tín hiệu (signal processing) như: người vận hành; điện; điện tử; khí nén, khí ; thủy lực Hình 5.2 5.3 Các đại lượng đơn vị đo lường Thủy lực Thuỷ lực học khoa học lực chuyển động truyền mơi trường chất lỏng Nó thuộc lĩnh vực học chất lỏng (Hình 5.3) Sự khác biệt Thuỷ tĩnh - Thuỷ động lực học: Thuỷ tĩnh có lực tác dụng áp suất chất lỏng nhân với diện tích tác dụng thuỷ động có lực tác dụng khối lượng chất lỏng nhân với gia tốc dòng chảy F = P A[ N ] F = m.a[ Hình 5.3 kg.m ] s2 70 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Áp suất thuỷ tĩnh Ps: Ps = h ρ g = [N/m2] =[Pascal] đó: Ps áp suất thuỷ tĩnh ( hydrostatics pressure) h chiều cao cột nước [m] ρ tỷ khối chất lỏng [kg/m3] g gia tốc trọng trường [ 9.8 m/s2] Áp suất thuỷ tĩnh không phụ thuộc vào hình dáng bình chứa mà phụ thuộc vào chiều cao cột nước tỷ khối chất lỏng Trong công nghệ thuỷ lực, công thức tính tốn số liệu kỹ thuật thiết bị, người ta dùng áp suất thuỷ tĩnh từ gọi tắt áp suất P Ví dụ áp suất thuỷ tĩnh (Hình 5.4) Lực Hình 5.4 F = P.A [N] Trên hình 5.5 mơ tả quan hệ lực - diện tích áp suất, ví dụ để nâng ơtơ có trọng lực tương đương 150.000N, người ta sử dụng nguồn thuỷ lực có P = 75bar Vậy piston cần phải có diện tích A= ? A = F = 150000N = 0,002 N.m = 0,002m2 = 20cm2 P 75.105Pa N Truyền lực ( Power transmission ) Theo định luật Pascal, bình kín, áp suất điểm có giá trị nhau; lực tác dụng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tác dụng theo công thức: F = P.A [N] hình dáng bình chứa khơng có ý nghĩa Trong hình 5.6, ta có P1= P2 Do cần lực nhỏ F1 thực công việc với lực lớn F2 thông qua mơi trường chất lỏng có áp suất Từ cơng thức: P1= F1/A1 ; P2=F2/A2 suy ra: Hình 5.5 A F = 1F A 2 Hay hệ số khuếch đại lực là: A2/A1 Hình 5.6 71 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Lưu lượng Trong thuỷ lực học, lưu lượng chất lỏng ký hiệu Q Phương trình dịng chảy liên tục 5.4 Khối nguồn thủy lực Một khối nguồn đơn giản (hình 5.7) bao gồm: - Bơm thủy lực (Pump) truyền động động điện M - Bộ điều chỉnh áp suất ( Pressure regulator) nhằm bảo vệ bơm - Dụng cụ thị thơng số, ví dụ thị áp suất( Pressure gauge) - Thùng dầu (recervoir) - Cổng P; cổng hồi dầu T Ngoài ra, khối nguồn tiêu chuẩn cịn có phần tử khác, lọc dầu, làm mát dầu, khâu kiểm tra dầu tràn, kiểm tra nhiệt độ dầu… Hình 5.7 Một điểm khác với hệ thống khí nén hệ thống thủy lực, dầu thủy lực khơng chịu nén nên việc sử dụng bình tích áp hiệu quả, hệ thống thủy lực thường bao gồm nguồn thủy lực vận hành hệ thống thuỷ lực phải vận hành bơm thuỷ lực 72 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Bơm thuỷ lực (Pump) Nguyên lý chung: thực biến đổi thành lượng thủy lực Dầu thủy lực bể chứa bơm hút tải vào buồng nén Tại đây, dầu thủy lực có áp suất ( tích lũy lượng áp suất) truyền tới phần tử hệ thống với vai trò tạo nên chuyển động cấu chấp hành Bảng 5.2 đưa số loại bơm thủy lực kèm theo thông số như: dải tốc độ làm việc, thể tích tính theo hành trình (một vịng quay), áp suất định mức hiệu suất toàn phần Bảng 5.2 Trong thực tế, bơm thủy lực chế tạo theo dạng-xét theo thể tích hành trình: - Bơm tích hành trình cố định (bơm bánh trong, ngồi; bơm trục vít…) - Bơm tích hành trình thay đổi được( bơm piston hướng kính, hướng trục) - Bơm có khả điều chỉnh nhiều thông số: điều chỉnh áp suất; lưu lượng công suất… 73 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Ngồi ra, bơm thủy lực cịn đánh giá qua số thông số quan trọng khác như: • Lưu lượng bơm, Q[lit/phút], ví dụ: Một bơm bánh truyền động động điện quay với tốc độ n=1450 vg/phút, thể tích hành trình v=2,8 cm3/ vòng Lưu lượng bơm là: Q= n.v= 1450 2,8 = 4060 ( cm3/phút)= 4,06 l/phút • Quan hệ lưu lượng áp suất bơm ( hình 5.8) Qua đồ thị cho thấy áp suất tăng lên, lưu lượng giảm chút ( rò rỉ dầu) Với bơm chất lượng tốt: tỷ lệ dầu rò đến khoảng 6% áp suất vận hành 230bar hiệu suất tương ứng tính cho lưu lượng là: 9, 4dm3 / ηQ = = 0,94 10dm3 / Với bơm chất lượng kém: tỷ lệ dầu rò đến khoảng 13% áp suất vận hành 230bar hiệu suất tương ứng tính cho lưu lượng là: ηQ = 8, dm3 / = 0,87 10dm3 / Hình 5.8 5.5 Các van điều khiển đảo chiều (Directional control valve) 5.5.1 Ký hiệu chung (Bảng 5.3) Bảng 5.3 74 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo 5.5.2 Các tiêu chuẩn chung - Chuẩn đường kính cho van tính theo mm, có: 4;6;10;16;20;22;25;30;32;40;50;52;63;82;100;102 - Chuẩn áp suất làm việc: 25; 40; 60; 63; 100; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630 - Về lưu lượng: Lưu lượng định mức Qn ( l/min) tổn thất áp suất ∆P = 1bar; lưu lượng cực đại Qmax (l/min) ứng với ∆P tương ứng - Các chuẩn khác độ nhớt dầu, nhiệt độ dầu 5.5.3 Các chuẩn độ chuyển trạng thái van giải thích theo giải pháp chế tạo Piston nịng van (hình 5.9) gọi trùng trạng thái nịng van Hình 5.9 Các kiểu piston nòng van Sự trùng trạng thái nòng van có ý nghĩa tất loại van Hầu hết van có trùng trạng thái chuyển mạch chọn mục đích sử dụng khác Trong thực tế, người ta thường chế tạo van với kiểu piston nòng van biểu diễn hình 5.9: - Trùng chuyển mạch nịng van dương (Positive switching overlap) Khi thực đảo chiều, qua trình chuyển mạch diễn trước hết cửa vào/ra đóng Vì khơng xảy sụt áp suất hệ thống trình chuyển trạng thái Hình 5.10 mơ tả q trình Hình 5.10 Mơ tả q trình chuyển mạch - Q trình chuyển mạch trùng trạng thái nòng van âm (Negative switching overlap) Khi thực đảo chiều, qua trình chuyển mạch diễn trước hết cửa vào/ra mở thơng với Vì xảy sụt áp suất hệ thống trình chuyển trạng thái Hình 5.11 mơ tả q trình 75 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Hình 5.11 Mơ tả q trình chuyển mạch - Quá trình chuyển mạch trùng trạng thái zero: cho van cần chuyển mạch nhanh – khoảng cách dịch chuyển ngắn *) Trên sở nguyên tắc trên, thực tế sử dụng van theo mục đích: + Q trình chuyển trạng thái việc mở nguồn áp suất (P) vào phần tử công suất từ phần tử này, áp suất xả bể chứa dầu + Quá trình chuyển trạng thái việc mở đầu (A) (B) vào phần tử công suất xảvề bể chứa dầu trước nối (P) với bơm 5.5.4 Các Van điều khiển đảo chiều Van 2/2 (Hình 5.12a,b) a) Van 2/2 tác động tay b) Van điện từ 2/2 Hình 5.12a,b Van 2/2 có lỗ dầu rị L 76 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo * Một số ví dụ ứng dụng van 2/2 ( hình 5.13) a) Điều khiển Motor thủy lực chiều quay Hình 5.13 b) Điều khiển nhắp Xilanh nâng hạ tải trọng Van 3/2 (hình 5.14a,b) a) Nút ấn 3/2 b) Van điện từ 3/2 điều khiển phía Hình 5.14 Van 3/2 * Một số ví dụ mạch ứng dụng van 3/2 77 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Van điều chỉnh lưu lượng (Adjustable restrictor) gọi van tiết lưu (throttle valve) Các khả van này: - Tạo thay đổi trở lực ( điều chỉnh được) - Hằng số trở lực chịu ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ - … Trong công nghiệp, người ta sử dụng van điều chỉnh lưu lượng với yêu cầu khác điều khiển hệ thống thủy lực: a) Van tiết lưu hai phía, ký hiệu sơ đồ ( hình 5.38) Đặc điểm là: Các chiều tác dụng cấu chấp hành hạn chế lưu lượng độ sụt áp suất (∆P) phụ thuộc vào tải Hình 5.38 trọng cấu chấp hành Vì thực tế dùng b) Van tiết lưu chiều (one- way flow control valve) (hình 5.39) Van tiết lưu chiều chế tạo tích hợp khối gồm: van tiết lưu van chiều Do cách ghép van chiều mà van tiết lưu có tác dụng điều tiết lưu lượng theo chiều ( từ A B) Chiều ngược lại (từ B A), trở lực van chiều khơng đáng kể nên toàn lưu lượng thủy lực chuyển qua mà khơng qua khe hẹp có trở lực lớn van hạn chế lưu lượng Hình 5.39 Van tiết lưu chiều c) Van ổn định tốc độ Như ta biết mối quan hệ tổn thất áp suất ∆P lưu lượng Q chảy qua tiết lưu : ∆P ~ Q2 Như vậy, tải trọng thay đổi, lưu lượng dòng chảy cung cấp cho phần tử tiêu thụ có xu hướng thay đổi kéo theo tốc độ truyền động thay đổi Nếu trì sụt áp suất van tiết lưu (∆P) khơng đổi lưu lượng qua van khơng đổi tốc độ truyền động trì ổn định Trên sở đó, giải pháp kỹ thuật cho van ổn định tốc độ trình bày hình 5.40: Một van tiết lưu (2) kết hợp với van áp suất tự chỉnh (bộ cân áp suất) (1) tạo nên trì lưu lượng dịng chảy mong muốn Nguyên tắc hoạt động sau: Ơ trạng thái làm việc bình thường, van mở có áp suất P3 với lưu lượng cung cấp cho cấu chấp hành Khi van (1) chịu tác dụng lực cân F1=F2; F1=P1.Ap1 F2= P2.Ap2 + Fs ; Fs lực đàn hồi lò xo, với Ap1=Ap2=Ap Khi F1=F2 ∆P = P1- P2 = Fs/Ap = const Hình 5.40 88 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Giả sử áp suất đầu van (P3) tăng lên (ví dụ tải trọng tăng, tốc độ làm việc có xu hướng giảm), theo lưu lượng qua van giảm chênh lệch áp suất (∆P) van (2) giảm ∆P = P1- P2 Và F2 > F1 khiến van (1) mở thêm Mức độ mở van (1) tiếp tục tăng lập lại trạng thái cân lực F1 F2, theo đó, lưu lượng qua van tăng lên để trì tốc độ cấu chấp hành, tổn thất ∆P trả lại giá trị ban đầu không đổi Ngược lại, áp suất đầu (P3) tụt xuống (tốc độ cấu chấp hành có xu hướng tăng), chênh lệch áp suất ∆P tăng, kết lực F2 < F1 dẫn đến van tự chỉnh (1) đóng bớt lại lập lại cân F1= F2 Theo nguyên tắc làm việc trên, lưu lượng chuyển qua van giữ ổn định vận tốc cấu chấp hành ổn định tải trọng chúng thay đổi – ta có ổn tốc Ký hiêu van ổn tốc sơ đồ hệ thống thủy lực cho hình 5.41 Hình 5.41 Minh họa Hệ thống ứng dụng van ổn tốc ( Hình 5.42a,b) a) Hệ thống làm việc có tải b) Hệ thống làm việc khơng tải Hình 5.42 a,b HT thủy lực ứng dụng van ổn tốc 89 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo 5.9 Cơ cấu chấp hành 5.9.1 Các xilanh thủy lực Trong hệ thống thủy lực, người ta sử dụng hai loại xilanh bản: - Xilanh tác dụng đơn (Single- acting cylinder) - Xilanh tác dụng kép (Double- acting cylinder) Xilanh tác dụng đơn (hình 5.43) Xilanh tác dụng đơn thực biến đổi lượng thủy lực thành cho chiều, chiều ngược lại: lực từ bên ngồi lị xo phản hồi Xilanh tác dụng đơn thường sử dụng làm cấu nâng, bàn nâng, bàn kẹp… Hình 5.43 Xilanh tác dụng kép ( xem bảng) Các phương trình thường dùng tính tốn lựa chọn xilanh: - Tốc độ truyền động: v= Q/A [m/s] - Lực tác dụng F = P.A η [N] - Hệ số tỷ lệ diện tích piston φ = Ap/Apr 90 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo Trong đó: η hiệu suất tổng hợp piston ( 0,85 – 0,95); khơng có cần Apr- phía có cần piston Ap: diện tích piston phía 5.9.2 Động thủy lực Các động thủy lực thuộc vào nhóm phần tử chấp hành, chúng biến đổi lượng thủy lực thành tạo nên chuyển động quay xoay lắc – động hạn chế góc quay) Cũng xi lanh thuỷ lực, động thuỷ lực điều khiển bẳng van điều khiển đảo chiều Động thủy lực có nguyên lý cấu tạo thơng số tương tự bơm thủy lực, ví dụ động thuỷ lực kiểu bánh tiếp xúc ngồi biểu diễn hình 5.44a,b a) Nguyên lý cấu tạo a) Ký hiệu sơ đồ Hình 5.44 Các phương trình dùng tính tốn: p= M/v; Q= n.v; đó: p : áp suất [ Pa] M : mơ men [Nm] v : thể tích hành trình [cm3] Q : Lưu lượng n : Tốc độ quay [r.p.m- revolutions per minute] hay [1/min] Công suất trục động cơ: P= M.ω [w] với ω tốc độ góc [rad/s] hay[1/s] Một động thủy lực hãng Festo cho hình 5.45 Hình 5.45 5.10 Các dụng cụ đo lường: 5.10.1 Dụng cụ đo áp suất Dụng cụ đo áp suất kiểu ống đàn hồi Phần lớn dụng cụ đo áp suất hệ thống thuỷ lực sử dụng dụng cụ đo áp suất dựa nguyên Hình 5.46 91 Khoa Điện - Điện tử HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS Nguyễn Phúc Đáo tắc ống đàn hồi (hình 5.46) Ngun lý làm việc: Khi dịng thuỷ lực có áp suất P đưa vào ống đàn hồi, áp lực tác dụng làm giãn ống kéo kim thị quay góc tỷ lệ với giá trị áp suất cần đo Dụng cụ loại đo áp suất lớn ( >100bar) Dụng cụ đo áp suất kiểu màng đàn hồi Trong dụng cụ này, ống đàn hồi thay màng đàn hồi Loại dụng cụ dùng đo áp suất nhỏ (