Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 6: Truyền động khí nén

ần lớn trong các xí nghiệp đã có sẳn đường dẫn khí nén. - Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đươc đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp. - Có thể khởi hành với số vòng quay thấp. Nhươc điểm - Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp (chỉ làm việc với tải trọng nhỏ). - Vận tốc chuyển động phụ thuộc vào tải trọng, Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. (Không thể thực hiện đươc những chuyển động thẳng hoặc quay đều). - Ảnh hưởng không tốt tới môi trường do dòng khí thoát ra tiếng ồn và trong khí thải ra có dầu. - Phải kiểm định hệ thống bình chứa vì có thể xảy ra bổ bình chứa khí. Sơ đồ hệ thống PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÉN KHÍ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÉN KHÍ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÉN KHÍ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÉN KHÍ Đơn vị đo cơ bản Khả năng ứng dụng của khí nén a. Trong lĩnh vực điều khiển +/ Vào những thập niên 50 và 60 của thế kỷ 20, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. +/ Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc là sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao. +/ Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. TRUYỀN ĐỘNG NÉN KHÍ TRONG CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI b. Hệ thống truyền động +/ Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vự khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng (xây dựng hầm mỏ, đường hầm,...). +/ Truyền động thẳng: vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho chuyển động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô. +/ Truyền động quay: truyền động xilanh, động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén. +/ Truyền động lắc: Chuyển động lắc là chuyển động quay với góc quay nhỏ hơn 360 độ. Chuyển động lắc dùng trong các dây chuyền công nghệ như phân loại sản phẩm trên các dây chuyền sản xuất. +/ Trong các hệ thống đo và kiểm tra: được dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. 5.1.1.3. Những đặc trưng cơ bản và ưu, nhược điểm Đặc điểm: +/ Có khả năng truyền năng lương đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ. +/ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén. +/ Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngươc trở lại bầu khí quyển. +/ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn. +/ Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp, nhỡ máy đã có sẳn đường dẫn khí nén. +/ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đươc đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp. +/ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ...) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt. +/ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó đươc sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp. +/ Vận tốc truyền động có thể 5.2 HỆ THỐNG CUNG CẤP VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN 5.2.1 HỆ THỐNG CUNG CẤP MÁY NÉN KHÍ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN VAN ĐẢO CHIỀU CƠ CẤU CHẤP HÀNH YÊU CẦU CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH XI LANH KHÍ NÉN 1. Phân loại ĐÔNG CƠ KHÍ NÉN ĐÔNG CƠ KHÍ NÉN ĐÔNG CƠ KHÍ NÉN ĐÔNG CƠ KHÍ NÉN Động cơ khí nén  Động cơ piston hướng trục: Tần số quay: Công suất: Thể tích làm việc: 500-5.000V/ph 1-20kW V0=hAkz ĐÔNG CƠ KHÍ NÉN MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC 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. NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Ống hút  Lưu lượng = Vận tốc trung bình x Tiết diện dòng chảy  Tiết diện ống = Lưu lượng trong ống / Vận tốc dòng chảy  Lưu lượng = = = 40 (l/min) 40/60 (l/s) (40/60) x 10-3 (m3/s) [(40/60) x 10-3] / 1.2 = 0.555 x 10-3 m2 Tiết diện ống =  Gọi D là đường kính trong của ống hút  Tiết diện ống= πD2/4 = 0.555 x 10-3 m2  Suy ra  Đường kính nhỏ nhất của ống hút phải là: 0.2666 m = 26.6 mm D = (4/π x 0.555 x 10-3)1/2 = 0.0266 m NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Ống đẩy Đường 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. NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC  Tuy nhiên, các ống dẫn dùng trong các hệ thống thủy lực được sản xuất theo tiêu chuẩn. Do vậy, các kết quả tính toán chỉ là cơ sở để dựa vào đó chúng ta chọn các ống dẫn có kích thước tiêu chuẩn phù hợp với yêu cầu.  Thông thường, kích thước của ống dẫn tiêu chuẩn được chọn lớn hơn so với kết quả tính đã tính toán.  Trong một vài trường hợp, kích thước của ống dẫn có thể chọn nhỏ hơn kết quả đã tính toán. Khi đó, việc tính toán lại các thông số dòng chảy để kiểm tra các thông số đó có nằm trong vùng cho phép hay không là cần thiết. NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC  Ví dụ, ống dẫn đươc̣ sản xuất theo tiêu chuẩn có đường kính ngoài 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  Tiết diện ống là = Lưu lượng trong ống / Tiết diện ống = (π/4) x 152 mm2 = 177 mm2 = 177 x 10-6 m2 = (40 x 10-3) / (60 x 177 x 10-6) (m3/sm2) = 3.77 m/s Vận tốc dòng chảy  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. Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản W Bơm Xy lanh: có nhiệm vụ chuyển năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ. Van giới hạn áp suất Van điều khiển hướng Xy lanh Tải Bể chứa dầu Bơm: cung cấp lưu lượng cho hệ thống. Bơm trong hình là bơm có thể tích riêng cố định, nghiã là nó đều cung cấp một lưu lượng cố định sau mỗi vòng quay. Van giới hạn áp suất (relief valve): có nhiệm vụ bảo vệ hệ thống. Nếu áp suất hệ thống tăng đến ngưỡng đã qui định (bơỉ van) thì van mở cho phép lưu lượng dư trở về bể chứa dầu. Van điều khiển hướng: có nhiệm vụ điều khiển lưu chất đến vị trí mong muốn Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản W Bơm Van giới hạn áp suất Van điều khiển hướng Xy lanh Tải Bể chứa dầu ΔP line 1 ΔP line 2 ΔP line 3 ΔP line 4 ΔP van Pr Pc ΔPline1 = mất áp giữa bơm và van điều khiển hướng ΔPvan = mất áp qua van điều khiển hướng ΔPline2 = mất áp giữa van điều khiển hướng và xy lanh 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 Tải W = 22 250 N Giả sử xy lanh có đường kính piston là D = 100 mm, và ti là d = 70 mm. Diện tích piston xy lanh là: A = πD2/4 = 3.14 x (10) /4 = 78.5 cm2 = 78.5 x 10-4 m2 2 Diện tích của ti xy lanh là a = πd2/4 = 3.14 x (7)2 /4 = 38.45 cm2 = 38.45 x 10-4 m2 Hệ thống truyền động thủy lực cơ bản ΔPline1 = 3 bar ΔPline3 = 1.5 bar ΔPline4 = 1 barΔPvan = 3.5 bar ΔPline2 = 1 bar Trong thời gian xy lanh đi ra, áp suất tại buồng chứa ti là Pr = ΔPline3 + ΔPvan + ΔPline4 = 1.5 + 3.5 + 1 = 6 bar Cân bằng lực trên xy lanh là: 0.9PcA = Pr (A - a) + W Vậy Pc = [Pr (A - a) + W] / 0.9A = [6 x 105 x (78.5 – 38.45) x 10-4 + 22250]/[0.9 x (78.5 x 10-4)] = 35.7 x 105 (N/m2) = 35.7 bar Áp suất tại bơm phải là: P = Pc + ΔPline2 + ΔPvan + ΔPline1 = 35.7 + 1 + 3.5 + 3 = 43.2 bar W Bơm Van giới hạn áp suất Van điều khiển hướng Xy lanh Tải Bể chứa dầu ΔP line 1 ΔP line 2 ΔP line 3 ΔP line 4 ΔP van Pr Pc BÀI TẬP Bài tập1 Độ chênh áp suất trên bơm là 100 bar, và lưu lượng bơm cung cấp là 60 l/min. Xác điṇh 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 lươṇg 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. BÀI TẬP BơmVan giới hạnáp suất Van điều khiển hướng Xy lanh Bể chứa dầu P2 P1 Cennitec Mạch thủy lực đơn giản được trình bày trong hình bên. Trong lúc xy lanh đi ra không tải, các áp suất đo được như sau: P1 = 10 bar P2 = 8 bar Xy lanh có đường kính piston là 38 mm, và đường kính ti là 15.8 mm. Tính lực cản bên trong xy lanh khi xy lanh đi ra. Lực cản này là lực cần để thắng ma sát giữa các bạc làm kín của piston và ti với vỏ xy lanh Bài tập 3 BÀI TẬP ΔPline1 ΔPline2 ΔPline3 ΔPline4 ΔPDVC ΔPM Bài tập 4 ΔPline1 = Mất áp từ bơm đến van điều khiển hướng (VDC) = 2.5 bar ΔPVDC = Mất áp trên điều khiển hướng (VDC) = 2.2 bar ΔPline2 = Mất áp từ van điều khiển hướng (VDC) đến động cơ thủy lực = 0.5 bar ΔPM = Độ chênh áp trên động cơ thủy lực ΔPline3 = Mất áp từ động cơ đến van điều khiển hướng (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? Máy nén khí 1. Phân loại Máy nén khí 2. Nguyên lý hoạt động:  Công kỹ thuật trong quá trình nén khí: 2 Wt   pdV  p2V2  p1V1 12  Vdp 1 Máy nén khí  Quá trình nén khí nhiều cấp: Máy nén khí 3. Máy nén piston  Máy nén piston trụ: Máy nén khí • Máy nén piston màng Máy nén khí 4. Máy nén chuyển động quay  Máy nén cánh quay  Nguyên lý hoạt động  Lưu lượng: V =πD-ZδZeb n η (m3/s) 60 Máy nén khí  Cấu tạo Máy nén khí  Máy nén khí trục vít  Nguyên lý hoạt động Máy nén khí  Cấu tạo:   L00 1 2 VL0th VV = A +A LZ (m3 / s)n1 0 vol 60 V =V η V0: thể tích làm việc Máy nén khí  Máy nén côn xoắn  Nguyên lý hoạt động:  Cấu tạo Máy nén khí  Máy nén răng quay: 2 buồng khí nhỏ dần liên tục Máy nén khí  Máy nén root:  Lưu lượng:  Thể tích làm việc V0 = (0,25 d2-A)b (m3 / s)n1 0 vol 60 V =V 2η Máy nén khí  Máy nén thuỷ động:  Hiệu suất hợp lý ở n = 20.000 – 100.000V/ph  Lưu lượng lớn  Bố trí nhiều cấp để đạt áp suất Máy nén khí  Vùng công suất ứng dụng  Công suất: P=p.V  Vùng lưu lượng: • Máy nén tĩnh <1000m3/ph • Máy thuỷ động >500m3/ph • Quạt toàn dải lưu lượng Máy nén khí  Điều khiển lượng cung cấp  Điều khiển liên tục: thay đổi tần số quay, tiết lưu đường nạp  Điều khiển gián đoạn: (điều khiển 2 điểm) • Ngắt mạch động cơ • Ngắt mạch khí nén Động cơ khí nén Động cơ khí nén 2. Động cơ cánh quay: Tần số quay 6.000 – 30.000 V/Ph Động cơ khí nén  Thể tích làm việc  Động cơ 2 đầu nối: công giãn  Động cơ 3 đầu nối: V0  giãn b - bề rộng cấu tạo của rô to; r - bán kính rô to; h - độ nâng của cánh quay. Không sử dụng Sử dụng công 0  4  V  bh  r  h    h  4   2 bh  r    Động cơ khí nén 3. Động cơ bánh răng  Tần số quay: 1.000-16.000V/ph  Thể tích làm việc: R,r: bán kính đĩnh, chân răng (Cũng có thể có động cơ trục vít Nghịch đảo của máy nén trục vít)  2 2 0V  0,94b R  r Động cơ khí nén 4. Động cơ piston  Động cơ piston hướng kính Động cơ khí nén  Động cơ piston hướng trục: Tần số quay: Công suất: Thể tích làm việc: 500-5.000V/ph 1-20kW V0=hAkz Động cơ khí nén 5. Động cơ tuabin (nghịch tuabin) đảo của máy nén  Tần số quay đến 300.000V/ph, hiệu suất thấp 6. Tính chất truyền động   Mô men quay: Đặc tính của động cơ khí nén pv  pr  V0 m 2MM  Động cơ khí nén  Các số liệu đặc trưng của động cơ khí nén Động cơ khí nén  Điều chỉnh tần số quay động cơ Động cơ khí nén • 7. Hiện tượng đóng băng trên cửa thải động cơ • khí nén.  Các động cơ sử dụng công giãn • n1 n A A E  pE   p T  T  Động cơ khí nén Thông thường nhiệt độ tại cửa thải nằm ở khoảng -300C. Độ ẩm không khí cao sẽ dẫn đến đóng băng  Vùng đóng băng Xylanh khí nén 1. Xylanh tác động đơn  Có cần piston  Cấu tạo Xylanh khí nén  Kết nối với hệ thốn • Kết cấu kéo • Kết cấu vành nối • Kết cấu ren • Kết cấu gọn • Kết cấu mặt đầu • Kết cấu đặc biệt  Bắt chặt xylanh; Lắp chặt bằng chân đế 1; lắp bích mặt đầu 2 và 3; và lắp chốt bản lề 4, 5 và 6. • g: Xylanh khí nén  Kết cấu dẫn khí nén ra vào xylanh Hình 9.31. Các phương án profin cho kết cấu nối ghép mặt đầu  Xylanh màng  Cấu tạo Xylanh khí nén  Xylanh siêu gọn Xylanh khí nén  Xylanh hộp xếp 2. Xylanh tác động kép  Cấu tạo Xylanh khí nén 3. Xylanh không có cần piston  Các dạng cấu trúc Xylanh khí nén  Xylanh có rãnh dẫn hướng Xylanh khí nén  Xylanh cáp Xylanh khí nén 4. Các dạng cấu trúc đặc biệt  Xylanh nhiều vị trí Xylanh khí nén  Xylanh phân tầng  Xylanh vươn xa Xylanh khí nén  Xylanh phẳng  Xylanh ghép đôi Xylanh khi nén  Xylanh dẫn hướng tịnh tiến Xylanh khí nén  Xylanh có bộ phận hãm Xylanh khí nén  Xylanh va đập Tính chất hoạt động của xylanh khí nén1. Xylanh tác động đơn  Phương trình chuyển động mx pA  pu Ak mg cos  FR x, psgn(x) FF  FL Khi tính toán sơ bộ có thể chọn: FF  510%pAAk FR  520%pAAk Tính toán vận tốc: A AK mx  Tính chất hoạt động của xylanh khí nén Tính theo hàm thoát Ψ • Piston đi ra: • Piston đi vào:  • Tính theo các hệ số đặc trưng Piston đi ra: • Piston đi vào:   2A2 p1 1 T1 2R T p , p L KD AAK pK x  x  A2  p , p  2R T D mt A L KAK  0 T0 T1 p  x  C 1 A 1 p , pAk K p  x  C A 0  p , p  T0mt AAK K TK Tính chất hoạt động của xylanh khí nén2. Xylanh tác động kép  Phương trình chuyển động: mx  pA AK  pB AK  AS  pmt AS mg cos  FR x,psignx FL Chuyển động ra chậm: pA ≈ p1; pB ≈ pmt Chuyển động vào chậm pA ≈ pmt; pB ≈ p1 Tính chất hoạt động của xylanh khí nén  Uốn dọc của cần piston: Lựa chọn xylanh theo điều kiện uốn dọc.  Vận tốc chuyển động:V x  A  VB AK AK  AS Tính chất hoạt động của xylanh khí nén  Đặc tính vận tốc – áp suất tải Tính chất hoạt động của xylanh khí nén3. Giảm chấn cuối hành trình  Nhiệm vụ: ngăn ngừa va đập cuối hành trình  Cấu trúc  Đệm đỡ vật liệu đàn hồi  Giảm chấn khí nén trong xylanh  Giảm chấn ngoài (thí dụ thuỷ lực)  Nạp khí ngược nhờ mạch nén khí ngoài Tính chất hoạt động của xylanh khí nén Tính chất hoạt động của xylanh khí nén4. Tính chất vận tốc của xylanh tiết lưu dòng vào và ra khỏi xylanh  Đặc điểm: Ma sát phụ thuộc vào vận tốc và áp suất khí nén Ảnh hưởng của tính chịu nén và nhiệt động học của khí nén Tính chất dòng chảy qua các phần tử cản điều khiển Tính chất hoạt động của xylanh khí nén Tiết lưu dòng khí vào  Mạch điều khiển  Ưu điểm: sức cản tác động nhanh  Nhược điểm: xuất hiện hiện tượng lùi khởi hành Tính chất hoạt động của xylanh khí nén Tiết lưu dòng khí ra  Mạch điều khiển  Ưu điểm: do nạp không cản → áp suất tăng nhanh → V tăng nhanh, dòng khí thoát được tiết lưu tạo cân bằng → V không phụ thuộc tải trọng Truyền động đẩy thuỷ khí  Yêu cầu của truyền động đẩy:  Vận tốc đẩy đều không đổi  Vận tốc đẩy không phụ thuộc tải trọng và tình trạng ma sát  Cấu tạo: Truyền động đẩy thuỷ khí  Hoạt động  Xylanh khí nén tạo lực đẩy  Xylanh thuỷ lực giữ vận tốc không đổi nhờ tiết lưu dầu Động cơ lắc khí nén  Phân loại:  Kiểu thanh răng – bánh răng Động cơ lắc khí nén  Kiểu cánh quay  Kiểu rãnh xoắn 1- Trục truyền; 2 Cữ chặn; 3 Phớt làm kín; 4 Lưỡi làm kín; 5 Cánh quay Động cơ lắc khí nén  Kiểu đai răng  Động cơ đếm Bước  Cấu tạo  Hoạt động Động cơ lắc khí nén  Làm việc gián đoạn theo bước • Chiều quay và trật tự bước: 1-2-3 quay trái 3-2-1 quay phải • Có thể lập trình lưu trữ để điều khiển chuyển động • Có thể xử lý thông tin về vị trí từng piston riêng rẽ