Bai Giang Thuy Khi.docx

Uploaded by: An Doan
0
0

December 2019
PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA

Overview

Download & View Bai Giang Thuy Khi.docx as PDF for free.

More details

Words: 73,569
Pages: 279

Preview
Full text

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ Mục đích: - Cung cấp cho sinh viên các kiến thức về nguyên lý cấu tạo, hoạt động, ứng dụng của các phần tử điều khiển, thực hiện trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực, khí nén. - Cung cấp cho sinh viên các kỹ năng về phân tích, thiết kế các mạch điều khiển bằng thủy lực, khí nén. Yêu cầu: Để đạt các mục đích trên, cần thực hiện các yêu cầu sau: -

Đáp ứng mục tiêu đào tạo của các trường đại học và đặc điểm của sinh viên. Đảm bảo tính sư phạm: Trình bày rõ ràng, logic; sau mỗi chương có tóm tắt, câu hỏi ôn tập và tài liệu tham khảo tương ứng.

PHẦN I: KHÍ NÉN ...................................................................................................................... Chương 1. Khái niệm chung về hệ thống khí nén .......................................................... 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Khái niệm chung ................................................................................................ Ưu điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén................................................... Nhược điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén ............................................. So sánh hệ thống khí nén với hệ thống thủy lực ................................................ Ứng dụng của khí nén ........................................................................................ 1.5.1 Trong lĩnh vực điều khiển ....................................................................... 1.5.2 Hệ thống truyền động.............................................................................. 1.6 Các đơn vị đo trong hệ thống khí nén ................................................................ 1.6.1 Áp suất .................................................................................................... 1.6.2 Lực ......................................................................................................... 1.6.3 Công ........................................................................................................ Chương 2. Nguồn cung cấp khí nén ................................................................................ 2.1 Nguyên lý chung ................................................................................................ 2.2 Máy nén khí ....................................................................................................... 2.2.1 Máy nén tịnh tiến .................................................................................... 2.2.2 Máy nén cánh quay ................................................................................. 2.2.3 Máy nén trục vít ...................................................................................... 2.3 Xử lý khí nén ..................................................................................................... 2.3.1 Bộ lọc khí ................................................................................................ 1

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất .............................................................................. 2.3.3 Bộ bôi trơn khí ........................................................................................ 2.3.4 Bộ xử lý khí nén FRL ............................................................................. 2.4 Hệ thống phân phối khí nén ............................................................................... 2.4.1 Yêu cầu chung......................................................................................... 2.4.2 Bình trích chức khí nén ........................................................................... 2.4.3 Mạng đường ống dẫn khí nén ................................................................. Chương 3. Hoạt động và ứng dụng các phần tử khí ...................................................... 3.1 Xy-lanh .............................................................................................................. 3.1.1 Xy-lanh tác động đơn .............................................................................. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép .............................................................................. 3.1.3 Xy-lanh không có cần piston .................................................................. 3.2 Động cơ khí nén ................................................................................................. 3.2.1 Động cơ piston ........................................................................................ 3.2.2 Động cơ cánh gạt .................................................................................... 3.2.3 Động cơ bánh răng .................................................................................. 3.2.4 Động cơ tuốc-bin .................................................................................... 3.3 Điều khiển xy-lanh tác động đơn ....................................................................... 3.4 Điều khiển xy-lanh tác động kép ....................................................................... 3.4.1 Điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van 5 cửa ................................... 3.4.2 Van điều khiển khí .................................................................................. 3.4.3 Điều khiển xy-lanh ở 2 vị trí ................................................................... 3.4.4 Điều khiển đồng thời 2 xy-lanh .............................................................. 3.4.5 Đồng bộ 2 xy-lanh .................................................................................. 3.5 Lực và tốc độ tạo ra bởi 1 xy-lanh ..................................................................... 3.5.1 Lực tác động ở hành trình ra của 1 xy-lanh ............................................ 3.5.2 Lực tác động ở hành trình vào của 1 xy-lanh ......................................... 3.5.3 Công thực hiện trong xy-lanh ................................................................. 3.5.4 Tính toán đường kính xy-lanh ................................................................ 3.5.5 Lực tạo ra bởi khí xả ............................................................................... 3.5.6 Tốc độ piston........................................................................................... 3.6 Lượng khí tiêu thụ trong xy-lanh ....................................................................... 3.6.1 Với xy-lanh tác động đơn ....................................................................... 3.6.2 Với xy-lanh tác động kép ........................................................................ 3.7 Điều khiển tốc độ piston .................................................................................... 3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng ......................................................................... 3.7.2 Bộ giới hạn lưu lượng ............................................................................. 3.8 Mạch trễ thời gian .............................................................................................. 3.9 Mạch xung ......................................................................................................... 3.10 Khí thoát và mạch nhạy cảm áp suất .................................................................

2

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3.10.1 Van nhạy cảm áp suất ............................................................................. 3.10.2 Mạch khí thoát ........................................................................................ 3.10.3 Mạch nhạy cảm áp suất ........................................................................... Chương 4. Mạch điều khiển ............................................................................................. 4.1 Điều khiển tự động............................................................................................. 4.1.1 Điều khiển bán tự động ........................................................................... 4.1.2 Khóa liên động ........................................................................................ 4.1.3 Xy-lanh dao động tự động ...................................................................... 4.1.4 Mạch tự động điều khiển tốc độ 1 phần hành trình ................................ 4.1.5 Mạch trễ tự động ..................................................................................... 4.1.6 Mạch tự động nhạy cảm áp suất ............................................................. 4.2 Điều khiển chuỗi ................................................................................................ 4.2.1 Mạch chuỗi có trễ thời gian .................................................................... 4.2.2 Mạch chuỗi nhiều xy-lanh ...................................................................... 4.2.3 Mạch chuỗi ngược................................................................................... 4.2.4 Mạch chuỗi không khả thi....................................................................... 4.2.5 Tín hiệu xung .......................................................................................... 4.3 Điềukhiển phân nhóm nối tiếp các chuỗi........................................................... 4.3.1 Mạch nối tiếp 2 nhóm, 2 xy-lanh ............................................................ 4.3.2 Mạch nối tiếp 2 nhóm, 3 xy-lanh ............................................................ 4.3.3 Mạch nối tiếp nhiều nhóm ...................................................................... 4.3.4 Thiết kế mạch nối tiếp nhiều nhóm ........................................................ 4.3.5 Biểu đồ chuỗi .......................................................................................... Chương 5. Các phần tử và mạch logic khí ...................................................................... 5.1 Một số hàm logic cơ bản .................................................................................... 5.1.1 Hàm AND ............................................................................................... 5.1.2 Hàm OR .................................................................................................. 5.1.3 Hàm NOT ................................................................................................ 5.1.4 Hàm NAND ............................................................................................ 5.1.5 Hàm NOR ............................................................................................... 5.1.6 Hàm có nhớ ............................................................................................. 5.1.7 Hàm có nhớ giới hạn ............................................................................... 5.1.8 Hàm có nhớ vô hạn ................................................................................. 5.2 Số nhị phân ........................................................................................................ 5.3 Đại số Boole ....................................................................................................... 5.4 Các phần tử logic khí và ứng dụng của đại số Boole ........................................ 5.5 Một số ví dụ về phương trình điều khiển ........................................................... 5.6 Sử dụng bảng Karnaugh-Veitch để thiết kế mạch khí ....................................... 5.6.1 Biểu đồ Karnaugh-Veitch ....................................................................... 5.6.2 Thiết kế mạch khí với biểu đồ K-V ........................................................ 3

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5.7 Một số bài toán điều khiển đơn giản .................................................................. Chương 6. Điều khiển điện trong mạch khí .................................................................... 6.1 Khái quát chung ................................................................................................. 6.2 Van điện từ ......................................................................................................... 6.2.1 Cơ cấu nam châm .................................................................................... 6.2.2 Cấu tạo van điện từ ................................................................................. 6.3 Công tắc hành trình ............................................................................................ 6.4 Công tắc và tiếp điểm ........................................................................................ 6.5 Rơ-le điện từ ...................................................................................................... 6.6 Các phương thức chuyển mạch .......................................................................... 6.7 Mạch điện khí .................................................................................................... 6.8 Các ví dụ về sơ đồ điện khí đơn giản ................................................................. Chương 8. Các bộ điều khiển khí .................................................................................... 7.1 7.2 8.1 8.2 8.3

Sức cản và dung tích trong hệ thống áp suất ..................................................... Hệ thống áp suất................................................................................................. Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn.................................................................... Rơ-le khí ............................................................................................................ Bộ điều khiển tỉ lệ .............................................................................................. 8.3.1 Loại lực - khoảng cách (Force - distance) .............................................. 8.3.2 Loại lực - cân bằng (Force - balance) ..................................................... 8.4 Van tác động khí ................................................................................................ 8.5 Bộ điều khiển vi phân và tích phân.................................................................... 8.5.1 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân ................................................................... 8.5.2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân ................................................................ 8.5.3 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi - phân - tích phân .............................................. 8.6 Các ví dụ điển hình về các bộ điều khiển khí nén .............................................

PHẦN II: THỦY LỰC ................................................................................................................. Chương 1. Khái niệm chung về hệ thống thủy lục ......................................................... 1.1 1.2 1.3 1.4

Khái niệm chung về hệ thống thủy lực .............................................................. Ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực ............................................................... Cấu trúc chung của hệ thống thủy lực ............................................................... Các đặc tính của dầu thủy lực ............................................................................

Chương 2. Nguồn thủy lực và hệ thống phân phối thủy lực ......................................... 2.1 Bơm thủy lực ..................................................................................................... 2.1.1 Bơm bánh răng ....................................................................................... 2.1.2 Bơm cánh gạt ......................................................................................... 4

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

2.1.3 Bơm trục vít ........................................................................................... 2.1.4 Bơm piston hướng trục .......................................................................... 2.1.5 Bơm piston hướng kính .......................................................................... 2.1.6 Bơm con lăn ống mềm ............................................................................ 2.1.7 Bơm màng .............................................................................................. Đường ống thủy lực và co nối ........................................................................... Két chứa dầu ..................................................................................................... Bộ lọc dầu ......................................................................................................... Bộ làm mát dầu ................................................................................................. Bộ sấy dầu .........................................................................................................

Chương 3. Các phần tử điều khiển trong hệ thống thủy lực......................................... 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c ..........................................................................................................................

Chương 4. Các phần tử thực hiện trong hệ thống thủy lực .......................................... 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c ..........................................................................................................................

Chương 5. Phân tích và thiết kế mạch thủy lực ............................................................. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5

c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c ..........................................................................................................................

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5.9 c .......................................................................................................................... Chương 6. Điều khiển logic thủy lực ............................................................................... 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c ..........................................................................................................................

Chương 7. Điều khiển thủy lực liên tục........................................................................... 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c .......................................................................................................................... c ..........................................................................................................................

Tài liệu tham khảo ............................................................................................................

6

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

PHẦN I

KHÍ NÉN

7

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên kiến thức chung về một hệ thống khí nén, so sánh với các hệ thống điều khiển khác. (0,5.0.1,5) 1.1

1.2

8

Khái niệm chung -

Hệ thống khí nén là hệ thống mà trong đó các thiết bị khí hoạt động nhờ sự tác động của khí nén. Bằng việc nén khí, năng lượng khí được tích lũy để cung cấp cho các hệ thống khí.

-

Các thiết bị khí có thể chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay: Các thiết bị khí chuyển động tịnh tiến như hệ thống đóng mở cửa tự động trên xe bus hoặc trên tàu hỏa, … Các thiết bị chuyển động quay như máy khoan, máy đánh bóng kim loại vận hành bằng khí nén, …

-

Việc sử dụng khí nén cho phép giảm giá thành lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống.

-

Hệ thống khí nén với áp suất thấp được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa các máy sản xuất, trong các ngành công nghiệp khác nhau và ngày nay đã được sử dụng để điều khiển các quá trình công nghiệp nhờ đặc tính chống nổ và dễ bảo trì sữa chữa. Khí nén đã đóng một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động.

Ưu điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén -

Về tính khả thi: khí nén được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cho những ứng dụng khác nhau từ việc khoan, mài cho đến sơn phun, … Ngày nay, ở các xí nghiệp công nghiệp đều trang bị hệ thống khí nén để cung cấp khí cho các máy công cụ.

-

Khí có thể lấy dễ dàng từ không khí cũng như có thể xả ra môi trường xung quanh, nghĩa là hệ thống không cần đường hồi. Đây là ưu điểm lớn của hệ thống khí so với hệ thống thuỷ lực: yêu cầu phải có đường hồi và phải có biện pháp chống rò rỉ chất lỏng.

-

Về độ tin cậy: thiết bị khí làm việc tin cậy hơn các thiết bị điện và điện tử.

-

Khả năng thích nghi: có thể tham gia vào quá trình tự động hóa, …

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1.3

1.4

-

Có thể hoạt động trong điều kiện môi trường không thuận tiện: các phần tử khí không bị ảnh hưởng bởi bụi, không bị mài mòn như các hệ thống điện và thủy lực, hệ thống khí có khả năng chịu được sự rung động và có thể hoạt động an toàn trong môi trường dễ cháy nổ, … đặc biệt thích hợp trong các nhà máy hóa chất, …

-

Tính an toàn cao: Máy nén khí hoạt động với độ an toàn cao hơn so với máy phát điện hoặc bơm thủy lực.

-

Trong chuyển động tịnh tiến: nhiều quá trình tự động liên quan đến sự chuyển động tịnh tiến có chu kỳ, đối với thiết bị điện, một chuyển động tịnh tiến biên độ 50mm rất khó thực hiện trong khi đó với thiết bị khí có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến tới 3m.

-

Về yêu cầu thay đổi tốc độ: mạch khí có thể dễ dàng dùng để thay đổi tốc độ.

-

Về tính kinh tế: hệ thống khí có chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp.

Nhược điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén -

Sự thoát nhiệt khi khí bị nén là vấn đề cần quan tâm cho nên khí nén cần được làm lạnh nếu có thể.

-

Những động cơ khí chuyển động quay (được sử dụng trong máy nâng, máy trộn, máy mài, …) có hiệu suất rất thấp (khoảng 20%) so với động cơ điện (khoảng 90%). Tuy nhiên, động cơ khí bền hơn và có thể đạt được tốc độ cao hơn (như máy khoan dùng trong nha khoa, máy đánh bóng kim loại, …).

-

Có thể thiết kế một hệ thống điều khiển dùng hoàn toàn thiết bị khí tuy nhiên trong công nghiệp thường sử dụng thiết bị khí kết hợp với các thiết bị khác như điện hoăc điện tử.

So sánh hệ thống khí nén với hệ thống thủy lực Công chất được dùng trong hệ thống khí nén là khí, còn trong hệ thống thủy lực là dầu thủy lực. Vì những đặc tính khác nhau giữa hai công chất này tạo nên sự khác nhau giữa hai hệ thống. Sau đây là những điểm khác nhau cơ bản của hai hệ thống này. 1. Khí và gas có khả năng nén, còn dầu thủy lực thì không. 2. Khí không có thuộc tính bôi trơn và còn bao gồm cả hơi nước, trong khi bôi trơn là chức năng cơ bản của dầu thủy lực. 3. Áp suất làm việc bình thường của khí thấp hơn nhiều so với áp suất làm việc của dầu thủy lực. 4. Công suất ra của hệ thống khí nhỏ hơn nhiều so với hệ thống thủy lực. 5. Độ chính xác của cơ cấu thực hiện khí thì thấp khi hoạt động ở tốc độ thấp, còn của dầu thì thỏa mãn mọi tốc độ. 6. Sự rò rỉ một lượng khí nhất định ra ngoài là chấp nhận được nhưng sự rò rỉ bên trong bản thân hệ thống là không thể chấp nhận được vì sự sai khác áp suất trong

9

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

hệ thống khí là rất nhỏ. Trong khi đó, với hệ thống thủy lực thì sự rò rỉ một lượng dầu nhất định bên trong hệ thống là chấp nhận được, nhưng sự rò rỉ ra ngoài là không thể chấp nhận được. 7. Trong hệ thống khí không cần đường khí hồi, nhưng trong hệ thống thủy lực là cần thiết. 8. Nhiệt độ làm việc bình thường trong hệ thống khí là 5 ÷ 60o C. Thực tế, hệ thống khí có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ 200o C. Hệ thống khí không nhạy cảm với nhiệt độ, còn với hệ thống thủy lực thì ngược lại, độ nhớt của dầu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Nhiệt độ hoạt động bình thường của dầu là 20 ÷ 60o C. 9. Hệ thống khí có khả năng chống nổ, chống cháy còn hệ thống thủy lực thì không. 1.5

Ứng dụng của khí nén

1.5.1 Trong lĩnh vực điều khiển -

Sau chiến tranh thế giới thứ hai,nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 này, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đọan tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng hóa trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở cộng hòa liên bang Đức đã có khoảng 60 hãng sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén.

-

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm,hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an tòan 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 xi mạ,đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất.

1.5.2 Hệ thống truyền động 

Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: -



10

Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vưc khai thác, như khai thác đá, khai thác than; trong các ngành xây dựng, như xây dựng hầm mỏ, đường hầm, …

Truyền động quay: -

Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thành rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén và một động cơ điện có cùng công suất, thì giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện. Nhưng ngược lại thể tích và trong lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất.

-

Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300;máy khoan, công suất khoảng 3.5 kW;máy mài,công suất khoảng 2.5 kW, cũng như những máy mài có công

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

suất nhỏ hơn, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp. 

Truyền động thẳng: -



1.6

Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền 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 ô tô.

Trong các hệ thống đo và kiểm tra: -

Dùng trong các trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm.

-

Dùng trong các hệ thống bảo vệ các thiết bị (hệ thống báo động nồng độ hơi dầu các-te, …).

Các đơn vị đo trong hệ thống khí nén

1.6.1 Áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal. 1 Pascal là áp suất phân bố điều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác dụng vuông góclên bề mặt đó là 1 Newton(N). 1 Pascal (Pa) = 1 N⁄m2 1 Pa = 1 Kg. m⁄s2 ⁄m2 = 1 Kg⁄mss Trong thực tế, người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (Mpa) và một số đơn vị khác như: bar, kp/cm2 , lbf/ in2 (psi), atm, … Để thấy rõ mối qua hệ giữa các đơn vị đo áp suất khác nhau sau đây ta giới thiệu môt bảng tóm tắt như bảng 1. Bảng 1. Áp suất 1 Pa 1 N/m2 1 bar 1 mbar 1 at 1 kp/cm2 1 mmWS 1 kp/cm2 1 mmHg 1 Torr 1 psi 1 atm

11

Mối tương quan của các đơn vị đo áp suất

Pa

bar

mbar

at kp/cm2

mmWS kp/cm2

Torr mmHg

psi

atm

1

1,0. 10−5

1,0. 10−2

1,02. 10−5

0,102

7,50. 10−3

1,45. 10−4

0,987. 10−5

1,0. 105 1,0. 102

1 1,0. 10−3

1,0. 102 1

1,02 1,02. 10−3

1,02. 104 10,2

0,75. 103 0,75

14,5 1,45. 10−2

0,987 0,987. 10−3

0,981. 105

0,981

9,81. 102

1

1,0. 104

7,50. 102

1,42. 10−2

0,987

1,0. 104

1

7,50. 10−2

1,42. 10−3

9,68. 10−5

1,36. 10−3

13,6

1

1,934. 10−2 1,32. 10−3

7,033. 10−2 1,013

7,033. 102 1,013. 104

51,71 7,6. 102

1 6,805. 10−2 −2 1 1,469. 10

0,981. 105 0,981. 10−4 9,81. 10−2 1,33. 102

1,33. 10−3

1,33

69,85 6,985. 103 6,985. 10−2 1,013 1,013. 103 1,013. 105

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1.6.2 Lực (N) 1Newton (N) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng là 1Kg với gia tốc là 1m/s2 . 1 N = 1 Kg

m s2

Ngoài đơn vị Newton (N), người ta còn sử dụng một số đơn vị đo khác vềlực. Bảng 2. N dyn kp Mp P

Mối liên hệ giữa các đơn vị đo về lực (theo DIN). N 1 10

dyn 10

−5

kp 0,102

5

1 9,81. 105 9,81. 108 981

9,81 9,81. 103 9,81. 10−3

1,02. 10

Mp

P 102

−4

−6

1

1,02. 10 1,02. 10−9 10−3

10−3 103

1

106

10−6

1

103 10−3

1.6.3 Công (J) 1 joule (J) là công sinh ra dưới tác động của lực 1N để vật dịch chuyển quảng đường 1m. 1 J = 1 N. m m2 . kg 1J=1 s2 Bảng 3. J erg kpm kWh kcal eV

Mối liên hệ giữa các đơn vị đo về công (theo DIN) J 1

erg 10

10−7

1

1,02. 10−8

9,91

9,81. 107 3,06. 1013 4,19. 1010 1,6. 10−12

3,60. 10

6

4187 1,6. 10

−19

7

kpm 0,102

kWh

kcal −7

eV

1

2,78. 10 2,78. 10−14 2,72. 10−6

2,39. 10 2,39. 10−11 2,34. 10−3

3,67. 105

1

860 1

6,24. 1018 6,24. 1011 6,12. 1019 2,25. 1025 2,61. 1022

3,83. 10−23

1

427 1,63. 10

−20

−3

1,16. 10 4,45. 10−26

−4

(*) DIN = Deutsches Institut für Normung(the German Institute for Standardization)

12

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 2 NGUỒN CUNG CẤP KHÍ NÉN

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên cấu về trúc chung một nguồn cung cấp khí nén và xử lý khí nén. (0,5.0.1,5) 2.1

Nguyên lý chung Khí nén được tạo ra từ máy nén khí. Hình 2.1 mô tả một hệ thống máy nén khí điển hình. Một động cơ điện lai máynén nén khí vào bình chứa. Việc điều khiển máy nén khí được thực hiện bằng rơ-le áp lực max và min. Khi áp suất khí trong bình chứa giảm xuống giá trị min thì rơ-le này tác động đóng mạch cho động cơđiện lai máy nén, ngược lại khi áp suất khí trong bình đạt giá trị max thì rơ-le này tác động dừng động cơđiện lai máy nén. Với P là áp suất khí trong bình chứa, ta có thuật toán điều khiển máy nén như sau: P = Pmin thì chạy máy nén, P tăng dần Pmax > 𝑃 > Pmin vẫn chạy máy nén, Nếu P = Pmax dừng máy nén, do tiêu thụ P giảm dần Pmax > 𝑃 > Pmin vẫn dừng máy nén, P = Pmin chạy máy nén. Nếu

12 10 11

9 8

1

7 6

5

3 4

2

Hình 2.1 Sơ đồ một máy nén khí điển hình 1. Bình chứa; 2. Van xả; 3. Van; 4. Bộ lọc; 5. Bộ điều chỉnh áp suất và đồng hồ đo; 6. Ống góp; 7. Van an toàn; 8. Đồng hồ đo; 9. Rơ-le điều khiển; 10. Động cơ điện; 11. Máy nén khí; 12. Phin lọc Áp suất khí trong bình được chỉ thị bởi đồng hồ, thường đơn vị là bar. 1bar = 0,1N/mm2 = 100Kpa  áp suất khí quyển. 13

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Nguồn khí từ bình chứa đi qua một bộ lọc để đảm bảo khí sạch và khô, sau đó qua bộ điều chỉnh lưu lượng để tạo lưu lượng khí ổn định có áp suất thấp hơn trong bình chứa.

1

2

5 4 3

6 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý một hệ thống máy nén khí đơn giản 1. Bộ lọc khí; 2. Phin lọc; 3. Bộ điều chỉnh áp suất 4. Bộ bôi trơn; 5. Họng khí; 6. Van xả Khí nén sau khi qua van điều chỉnh thì qua một bộ bôi trơn bằng dầu và khí mang lượng dầu này đi bôi trơn cho các phần tử khí giúp chúng hoạt động trơn tru và hiệu quả hơn. 2.2

Máy nén khí Máy nén là một thiết bị có nhiệm vụ hút không khí từ ngoài khí quyển và nén vào một không gian kín, áp suất khí tăng dần làm cho nhiệt độ khí tăng. Khí được hút vào máy nén càng lạnh càng tốt để cho một lượng khí lớn nhất có thể được hút trong mỗi chu kỳ có độ ẩm càng thấp càng tốt. Có 3 loại máy nén được dùng làm máy nén khí: -

Máy nén tịnh tiến. (reciprocating compressor).

-

Máy nén cánh quay. (rotating vane compressor).

-

Máy nén trục vít. (rotary screw compressor)

2.2.1 Máy nén tịnh tiến. (reciprocating compressor) Nguyên lý hoạt động tương tự như hệ thống trong xe gắn máy bao gồm: Trục khuỷu, thanh truyền, xu-pap (có thể được thay bằng lá van), … Áp dụng cho những trường hợp cần lưu lượng nhỏ từ khoảng vài lít/phút đến khoảng 1,6 m3/phút tùy từng hãng sản xuất. Công suất trong khoảng từ 1 HP - 20 HP.

14

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 2.3 Cấu trúc của máy nén tịnh tiến Nhược điểm: -

Hiệu suất thấp (cùng một công suất động cơ của máy nén khí thì máy nén khí trục vít bao giờ cũng cho lượng khí nén lớn hơn máy nén khí piston), Độ ồn lớn (lớn hơn khoảng 40 - 50%) và rung do chuyển động tịnh tiến qua lại của piston, Khí nén cung cấp không được liên tục do đó phải có bình chứa khí nén đi kèm, tuổi thọ kém.

Ưu điểm của nó là giá thành thấp, tính cơ động cao.

Hình 2.4 Hình dạng máy nén tịnh tiến 2.2.2 Máy nén cánh quay. (rotating vane compressor) Nguyên lý cầu tạo và hoạt động như hình vẽ 2.5. Không khí từ ngoài môi trường được hút vào buồng nén của máy nén thông qua một bộ lọc. Buồng nén bao gồm một stator trong đó bố trímột rotor được đặt lệch tâm. Rotor có rãnh dọc trục và trong đó bố trí các cánh gạt. Cánh gạt dịch chuyển trong rãnh và được bôi trơn bởi một lớp dầu mỏng. Khi hoạt động, các cánh gạt được giữ ở vị trí tựa vào thành trong của stator bởi tác dụng của lực ly tâm. Do rotor bố trí lệch trục với trục stator cho nên khi quay thì thể tích buồng nén sẽ giảm và làm cho áp suất khí trong buồng nén 15

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

tăng lên. Khi quay đến vị trí buồng nén nối thông với cửa ra thì khí nén được cấp cho hệ thống sử dụng. Việc làm kín, làm mát và bôi trơn được đảm bảo nhờ vào dầu bôi trơn được đưa vào buồng nén trong quá trình máy hoạt động.

Hình 2.5 Nguyên lý cấu tạo máy nén cánh gạt

Hình 2.6 Cấu tạo cánh gạt và máy nén cánh gạt 2.2.3 Máy nén trục vít. (rotary screw compressor) Máy nén khí trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Máy nén khí trục vít gồm có hai trục. Trục chính và trục phụ. Máy nén khí trục vít ra đời vào khoảng năm 1950 và đã chiếm lĩnh một thị trường lớn trong lãnh vực khí nén. Loại máy nén khí này có một vỏ đặt biệc bao bọc quanhhai trục vít quay, một lồi một lõm. Các răng của hai trục vít ăn khớp với nhau và số răng trục vít lồi ít hơn trục vít lõm 1 đến 2 răng. Hai trục vít phải quay đồng bộ với nhau, giữa các trục vít và vỏ bọc có khe hở rất nhỏ. 16

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 7 3

3 .

SL

SIDE VIEW TOP VIEW

10

8

6 9 3

10

4 DL 1

5

3

.

. 11 12

2

5

Hình 2.7 Cấu trúc máy nén trục vít 1 - Rotor chủ động; 2 - Rotor bị động; 3 - Rolling contact bearings; 4 - Van 1 chiều 5 - Cảm biến điều khiển start/không tải; 6 - Cửa ra; 7 - Van tràn; 8 - Oil injecttion; 9 - Cảm biến nhiệt độ khí nén; 10 - Built-in motor; 11 - Hộp đấu dây; 12 - Thiết bị bảo vệ máy nén; SL - Cửa hút; DL - Cửa khí nén ra Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cửa nạp và đi vào buồng khí ở giữa các trục vít và ở đó không khí được nén giữa các răng khi buồng khí nhỏ lại, sao đó khí nén đi tới cửa thoát. Cả cửa nạp và cửa thoát sẽ được đóng hoặc được mở tự động khi các trục vít quay hoặc không che các cửa, Ở cửa thoát của máy nén khí có lắp một van một chiều để ngăn các trục vít tự quay khi quá trình nén đã ngừng. Máy nén khí trục vít có nhiều tính chất giống với máy nén khí cánh gạt, chẳng hạn như sự ổn định và không dao động trong khí thoát, ít rung động và tiếng ồn nhỏ. Đạt hiệu suất cao nhất khi hoạt động gần đầy tải. Lưu lượng từ 1,0m³/phút và có thể lên tới 60m³/phút.

17

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 2.8 Hình dạng máy nén trục vít 2.3

Xử lý khí nén Việc xử lý khí nén bao gồm 3 khâu cơ bản: lọc, điều áp và bôi trơn.

2.3.1 Bộ lọc khí Nước, chất rắn và dầu cặn cần phải được tách hoàn toàn hoặc một phần ra khỏi khí nén trước khi đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, đây là một quá trình phức tạp và tốn kém do đó chỉ cần thực hiện ở mức có thể chấp nhận được tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng. Chất rắn như cặn bẩn, cát, sản phẩm carbon, và nói chung những hạt có đường kính > 25mcần phải được lọc ra khỏi khí nén. Bộ lọc thường được làm từ sợi thủy tinh, gốm, nylon, nỉ, …

Đường khí vào

Đường khí ra

Vách ngăn L õiLõi lọc lọ cChất ngưng tụ Bình chứa Vít xả (a) Hình 2.9 Cấu trúc của bộ lọc khí (a) - Nguyên lý; (b) - Cấu trúc của bộ lọc thực tế

18

(b)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hoạt động: -

-

Khí nén đi qua bộ lọc từ trái sang phải và nó đi qua một màng cản trong cốc bộ lọc. Ảnh hưởng của màng cản là làm cho dòng khí trong cốc quay và các hạt bụi bẩn cùng các giọt nước bị tác dụng của lực ly tâm ngược với hướng mặt trong thành cốc lọc. Sau đó chúng đi xuống đáy của vỏ bộ lọc rồi tích tụ trong cốc lọc. Khí nén đã được làm sạch trước theo cách này sau đó đi qua màng lọc, nơi có thể lọc các chất bụi bẩn với kích thước nhỏ hơn. Màng lọc trong trường hợp này bao gồm một vật liệu thiêu kết được với độ xốp cao. Độ lọc phụ thuộc vào cỡ lọc của màng lọc được sử dụng.

Chất lỏng có trong khí nén thường là hơi nước, sau khi hấp thụ khói tạo thành axit yếu, cặn dầu thì tạo thành chất lỏng sền sệt. Trong quá trình nén và làm lạnh sau đó, một phần hơi nước ngưng tụ thành dạng lỏng nên rất dễ tách bởi một bộ lọc cơ. Các bộ lọc này ép khí vào hướng riêng biệt để tạo những lực ly tâm tách nước và những giọt dầu ra khỏi dòng khí. Lượng chất lỏng ngưng tụ từ hơi có trong một thể tích khí nén tăng tỷ lệ thuận với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Vì vậy, tăng áp suất và giảm nhiệt độ là phương pháp hữu hiệu nhất để tách nước ra khỏi khí nén. Trong các hệ thống công nghiệp, khí nén được đưa qua thiết bị làm lạnh để lấy bớt nhiệt, giảm nhiệt độ và tăng độ ngưng tụ. Trong quá trình phân phố khí, áp suất rơi trên đường ống dẫn có thể làm giảm nhiệt độ và tăng độ ngưng tụ do đó van xả là một bộ phận không kém phần quan trọng trong hệ thống ống phân phối khí. Cuối cùng những bộ lọc nhỏ phải được đặt trên đường ống gần với điểm trích nước trước khi sử dụng khí để bảo vệ cho từng thiết bị. Ngày nay, người ta thường sử dụng các bộ lọc có chức năng tự động làm sạch khi đường ống nghỉ để giảm thiểu công việc bảo dưỡng và tránh trường hợp chất cặn bẩn quay trở lại hệ thống. Sau khi tất cả các chất lỏng và chất rắn đã được tách khỏi thì khí nén cần được đưa qua thiết bị làm khô khí để tách hơi nước. Có 3 nguyên tắc làm khô khí: -

Thiết bị hấp thụ nước bằng một tác nhân. (hydroscopic absorption by an agent) Bộ làm khô đông lạnh. (refrigeration dryer) Bộ làm khô tan rửa dùng hóa chất. (chemical deliquescent dryer)

Những bộ lọc này làm việc rất hiệu quả nhưng việc tách hơi nước là một khâu phức tạp và tốn kém nên chỉ sử dụng khi cần thiết. 2.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất khí Sau khi khí đã được làm sạch, nó cần phải được điều chỉnh để hoạt động với áp suất tối ưu của hệ thống. Tất cả các phần tử khí cần phải hoạt động đúng áp suất định mức để tăng hiệu suất làm việc của hệ thống cũng như độ bền của từng phần tử riêng biệt.

19

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1

Cửa giảm áp

2 Lỗ thoát 3

2

1 3

2

3 1 Hình 2.10

Cấu trúc của bộ điều chỉnh có giảm áp

Những bộ điều chỉnh áp suất, được lắp đặt ở các điểm khác nhau trong mạch khí có chức năng duy trì một áp suất không đổi trong đường ống và cũng để điều khiển lực tạo ra bởi các xy-lanh, bù cho sự thay đổi áp suất đường ống tạo ra bởi các bộ phận chuyển động. Hoạt động: -

-

-

Áp suất vào (áp suất ban đầu) của bộ điều áp phải luôn luôn cao hơn áp suất đầu ra (áp suất thứ cấp). Áp suất được điều chỉnh bởi một màng. Áp suất ra tác động trên một mặt của màng và lò xo tác động trên mặt kia của màng. Lực lò xo có thể điều chỉnh thông qua một vít chỉnh. Khi áp suất ra tăng, ví dụ: trong quá trình tải của xy-lanh thay đổi, màng di chuyển chống lại lực lò xo làm cho diện tích mặt cắt ngang đầu ra tại van đặt giảm hoặc đóng hoàn toàn. Tấm ở giữa màng sau đó mở ra và khí được nén có thể thông tới khí quyển qua lỗ thông trong vỏ. Khi áp suất đầu ra giảm, lực lò xo mở van. Điều chỉnh áp suất đầu ra định trước là vì một sự đóng mở liên tục của van gây ra bởi dòng khí, áp suất hoạt động được chỉ thị trên đồng hồ.

Bộ điều chỉnh áp suất thường được dùng nhất là bộ “điều chỉnh không hạ áp” (nonrelieving regulator) đặt trên đường ống. Khí nén được đưa vào một mặt và bằng cách quay vít chỉnh ta điều khiển được áp suất ra, ngoài ra còn một lỗ cho khí dư thoát ra khi áp suất đặt thấp. Áp suất khí ra thường được chỉ thị trên một đồng hồ lắp ngay trên bộ điều chỉnh. Hoạt động: -

20

Nếu khí không được rút trên mặt thứ cấp, áp suất tăng và ấn màng chống lại sự nén của lò xo. Diện tích mặt cắt ngang đầu ra tại van đặt bị giảm và đóng và

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

dòng khí bị giảm hoặc bị cắt hoàn toàn. Khí nén có thể tiếp tục lưu thông chỉ khi khí được rút lên mặt thứ hai.

2 5

3

Lỗ thoát

1

2 4

1 Hình 2.11 Cấu trúc của bộ điều chỉnh không có giảm áp 1 - Thân bộ điều chỉnh; 2 - Núm xoay chỉnh giá trị đặt ; 3 - Màng;4 - Nắp đáy; 5 - Lò xo 2.3.3 Bộ bôi trơn khí Để bôi trơn các bộ phận chuyển động của mạch khí, người ta thường phun một lượng dầu dưới dạng sương vào khí nén.

Khoang nhỏ dầu.

Ống dẫn .

Ống dẫn Van 1 chiều

Đế van hình bi cầu

Ống dẫn Dầu bôi trơn .

Hình 2.12

21

Cấu trúc của bộ bôi trơn

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hoạt động: -

Khí nén đi qua bộ bôi trơn làm cho áp suất sụt giảm giữa bình đựng dầu và phần trên của bộ bôi trơn. Áp suất khác nhau là đủ để lực làm dầu đi lên qua một ống dẫn sau đó chảy vào trong một vòi có thể quan sát thông qua một kính quan sát. Tại đây, dầu được phân nhỏ và được đưa vào bởi dòng khí tới một phạm vi lớn hơn hoặc nhỏ hơn.

Bộ bôi trơn này ít khi được sử dụng cho đường ống dài hơn 10m. Không nên dùng bộ bôi trơn này cho các hệ thống logic thủy hoặc các hệ thống khí thấp áp không có bộ phận chuyển động. 2.3.4 Bộ xử lý khí Các chức năng trên có thể kết hợp trong một thiết bị gọi chung là bộ xử lý khí (FRL Filter Regulator Lubricator). Bộ xử lý khí thường được kết nối phía cao áp của tất cả các hệ thống khí.

Hình 2.13

Nguyên lý cấu tạo của bộ xử lý khí FRL điển hình 2

1

3

Hình 2.14 Cấu trúc và hình dạng thực của bộ xử lý khí FRL điển hình 1 - Thân chính; 2 - Núm chỉnh định giá trị đặt; 3 - Bowl guard 22

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 2.15

Hình 2.16 2.4

Ký hiệu bộ xử lý khí có bộ bôi trơn

Ký hiệu bộ xử lý khí không có bộ bôi trơn

Hệ thống phân phối khí nén

2.4.1 Yêu cầu chung Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí từ máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ như động cơ khí nén, máy ép dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển dùng không khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển). Độ nghiêng đường ống 1 ¸ 2%

Bình trích chứa trung gian

Bình trích chứa chính Bình ngưng tụ hơi nước

Máy nén khí

Thiết bị lọc

Bình trích chứa cho thiết bị

Van xả nước

Hình 2.17

23

Hệ thống thiết bị phân phối khí nén

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng ống dẫn khí nén, cần phân biệt ở đây mạng đường ống được lắp ráp cố định (như trong nhà máy) và mạng đường ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy. Yêu cầu đối với thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, lưu lượng Q và chất lượng của khí nén cho nơi tiêu thu,cụ thể là các thiết bị máy móc. Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lý máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đóng vai trò quan trọng về phương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển bằng khí nén. Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với thiết bị phân phối khí nén(từ bình tích chứa chính cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiế bị máy móc) không vượt quá 1,0 bar, theo tiêu chuẩn cụ thể như sau: - Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính ........................................................... 0.1 bar - Tồn thất áp suất trong ống nối ..................................................................... 0.1 bar - Tổn thất áp suất trong thiết bị sử lý khí nén (trong bình ngưng tụ, tích nước) .................................................................. 0.2 bar - Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh ......................................................... 0.6 bar 2.4.2 Bình trích chứa khí nén Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ là cân bằng áp suất khí từ máy nén khí chuyển đến, tích chứa và ngưng tụ, tách nước. Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị máy mòc sử dụng, ngoài ra còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng khí nén: ví dụ sử dụng khí nén liên tục hay gián đoạn. Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp trong không gian thoáng, để thực hiện được nhiệm vụ như vừa nêu trên là ngưng tụ và tách nước trong khí nén. Đường khí ra Đường khí vào

(a)

(b)

(c)

Hình 2.18 Các loại bình trích chứa khí nén (a) Loại bình trích thẳng đứng (b) Loại bình trích nằm ngang (c) Loại bình trích nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí Bình trích chứa có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau (hình 5). Đường ống nối khí nén ra thường nằm ở những vị trí cao nhất của bình trích chứa. 24

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.4.3 Mạng đường ống dẫn khí nén Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân chia thành hai loại: -

Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống dưới tàu, mạng đường ống phân phối trong hệ thống khí nén nhà máy, xưởng, …). Mạng đường ống được lắp ráp di động(mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc, thiết bị, …).

 Mạng đường ống lắp ráp cố định Thông số cơ bản cho mạng đường ống lắp ráp cố định gồm: lưu lượng khí nén, vận tốc, dòng chảy, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén, áp suất yêu cầu, chiều dài ống dẫn và phụ tùng nối ống. Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng chảy càng lớn, tổn thất áp suất trong ống dẫn càng lớn. Tổn thất áp suất còn phụ thuộc vào các yếu tố khác. Vận tốc dòng chảy:vận tốc dòng chảy thường nằm trong khoảng từ 6 ÷ 10 m/s. vận tốc dòng chảy khi qua các phụ tùng nối ống sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên nhất thời khi dây chuyền, máy móc đang vận hành. Tổn thất áp suất: như trình bày ở phần trên. Yêu cầu tổn thất áp suất là 0.1 bar trong ống dẫn chính. Tuy nhiên, trong thực tế sai số cho phép tính đến bằng 5% áp suất yêu cầu của hệ thống. Ví dụ áp suất yêu cầu của hệ thống là 7 bar, tổn thất áp suất tính được là 0.35 bar là có thể chấp nhận được. Nếu trong ống dẫn chính có lắp thêm các phụ tùng ống nối, các van thì tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn tăng lên. Trong thực tế để tính toán tổn thất áp suất trong các phụ tùng nối, có nhiều phương pháp khác nhau.  Mạng đường ống lắp ráp di động Mạng đường ống lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền, trong thiết bị, trong các máy móc) đa dạng hơn mạng đường ống lắp ráp cố định. Ngoài ra, những đường ồng bằng kim loại có thành ống mỏng, như ống dẫn bằng đồng, người ta còn sử 25

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

dụng các loại ống khác bằng nhựa, vật liệu tổng hợp, các ống dẫn bằng cao su, các ống dẫn mềm bằng vật liệu tổng hợp. Đường kính các ống dẫn được chọn phải tương ứng với đường kính các mối nối của các phần tử điều khiển. Ngoài ra những mối lắp ghép bằng ren, mạng đường ồng lắp ráp di động còn sử dụng các mối nối cắm với các đầu kẹp. Tùy theo áp suất yêu cầu của khí nén cho từng loại máy, mà chọn những loại ống dẫn có những tiêu chuẩn kĩ thuật khác nhau.

26

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 3 HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHẦN TỬ KHÍ

Mục đích, yêu cầu: Cung cấp cho sinh viên các kiến thức về cấu trúc, hoạt động, và ứng dụng của các phần tử khí.Giới thiệu một số mạch ứng dụng điều khiển xy-lanh cơ bản. (1.0.1) Cơ cấu chấp hành khí nén là một thiết bị đầu ra chuyển đổi năng lượng cung cấp thành công có ích. Cơ cấu chấp hành khí nén có để được chia thành 2 nhóm chính:  Chuyển động thẳng: các xy-lanh tác động đơn, xy-lanh tác động kép  Chuyển động quay: động cơ khí nén, các xy-lanh quay, cơ cấu dẫn động quay Cơ cấu chấp hành khí nén được điều khiển bởi các thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển. Thiết bị điều khiển khí nén phần lớn là các van điều khiển. 3.1

Xy-lanh(Cylinder)

3.1.1 Xy-lanh tác động đơn (Single acting cylinder) Với xy-lanh tác động đơn, khí nén được cấp vào chỉ ở một phía của mặt piston. Mặt kia được thông ra môi trường ngoài. Xy-lanh có thể thực hiện công việc chỉ theo một hướng, chuyển động hồi về của piston được tác động bằng một lò xo lắp trong xy-lanh. Lực của lò xo lắp bên trong được thiết kế sao cho việc hồi về vị trí ban đầu của xy-lanh được thực hiện với tốc độ cao dưới các điều kiện không tải. Lò xo Piston Chiều chuyển động dương Khí nén vào

Hình 3.1

Cửa thoát

Nguyên lý cấu tạo của xy-lanh tác động đơn

Nếu khí nén được đưa vào xy-lanh như hình vẽ 3.1, piston bị đẩy sang phải và cần piston có thể truyền áp suất tác động lên đối tượng bên ngoài, đồng thời khí ở trong không gian piston xả ra ngoài theo cửa thoát. Khi nguồn khí nén bị cắt, lò xo sẽ tác động trả piston về lại vị trí ban đầu. Trong suốt hành trình này, khí được hút vào từ cửa thoát và xả qua cửa vào. 27

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.2

Hình 3.3

Cấu trúc và ký hiệu xy-lanh tác động đơn

Hình dạng của xy-lanh tác động đơn

Xy-lanh tác động đơn được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu lực nhỏ và khoảng dịch chuyển ngắn. Hình vẽ 3.4 vẽ ứng dụng của xy-lanh tác động đơn trong cơ cấu phanh.

Hình 3.4

Hệ thống phanh dùng xy-lanh tác động đơn

3.1.2 Xy-lanh tác động kép (Double acting cylinder) Xy-lanh tác động kép thực chất là xy-lanh tác động đơn, trong đó lò xo hồi được thay thế bằng cửa vào của khí nén. Như vậy, dịch chuyển cả 2 phía đều được tác động bằng khí nén với việc sử dụng van 3 cửa như trong hình 3.8.

Hình 3.5 28

Cấu trúc nguyên lý xy-lanh tác động kép

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.6

Hình dạng xy-lanh khí tác động kép

Nguồn khí nén được nối vào cả 2 van a và b. Khi ấn van a thì khí nén đi vào phần bên trái của xy-lanh và piston dịch chuyển sang chiều dương và khí ở bên phải của xy-lanh thoát ra qua cửa 3 của van b. Ngược lại, quá trình xảy ra tương tự như khi ấn van b.

a

2

Hình 3.7

b

1 3

2

1 3

Điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van 3 ngả

Đường kính của xy-lanh thường từ 10mm đến 200mm và khoảng hành trình thường khoảng 300mm, có loại hành trình dài đến 6m, áp suất làm việc có thể đến 10 bar (ngày nay trong công nghiệp dùng đến 17,5 bar). Xy-lanh tác động kép có vòng đệm (Cushioned double acting cylinder): Hầu hết các xy-lanh hiện nay được thiết kế giảm tốc độ ở cuối mỗi hành trình để giảm những chấn động trong hệ thống. Điều này được thực hiện bằng tấm đệm khí điều chỉnh được trên xéc-măng (piston ring). Nguyên lý cấu tạo và hoạt động được giới thiệunhư trong hình vẽ 3.8.

29

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.8 Nguyên lý xy-lanh tác động kép với tấm đệm chống chấn động và ký hiệu 2

Hình 3.9

1

2

3

Cấu trúc của xy-lanh khí tác động kép với tấm đệm chống chấn động 1-Ống xy-lanh; 2-Bearing and end caps; 3-Cần piston

Xy-lanh nối đôi (Tandem double-acting cylinder): Loại này cấu trúc từ 2 xy-lanh tác động kép liên kết với nhau như hình 3.10. Thường thì có từ 2 đến 4 xy-lanh ghép lại với nhau.

Hình 3.10

Nguyên lý xy-lanh nối đôi và ký hiệu

Xy-lanh loại này phù hợp với các ứng dụng cần giá trị lực tác động lớn nhưng yêu cầu đường kính xy-lanh bị hạn chế (hạn chế không gian lắp đặt xy-lanh).

30

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí 2

1

2

3

Hình 3.11 Cấu trúc xy-lanh nối đôi 1-Ống xy-lanh; 2-Bearing and end caps; 3-Cần piston Xy-lanh có cần piston 2 phía (Cylinders with through piston rod): Xy-lanh loại này có cần xuyên qua đĩa piston do đó nó có piston ở cả 2 mặt của xy-lanh. Với loại này, việc dẫn hướng của cần piston là tốt hơn. Lực tác động của piston ở 2 phía là giống nhau.

Hình 3.12

Nguyên lý xy-lanh có cần piston 2 phía và ký hiệu

Xy-lanh moment (Rotary cylinders): Khi một bộ phận trên đường ống lắp ráp phải di chuyển trên một đường tròn từ vị trí này sang vị trí khác, thanh nối tới cần piston của 1 xy-lanh thường có thể quay 1 góc đến 120𝑜 . Bằng việc nối cơ cấu truyền động thang răng giữa 2 piston, ta có thể tăng góc quay này lớn hơn nhiều. Tất cả các thông số như góc quay được xác định bằng chiều dài hành trình, hệ số truyền bánh răng, đường kính xy-lanh và moment ra đều có thể thay đổi được nhờ 1 thiết bị được gọi là xy-lanh moment, hình 3.13. Với thiết kế này của xy-lanh tác động kép, cần piston có một profin dạng răng. Cần piston được dẫn động bằng một báng răng, và một chuyển động quay thông qua một dịch chuyển tịnh tiến. Các giá trị quay khác nhau cho các góc quay tương ứng là 45, 90, 180, 270, hoặc 360 độ. Momen quay phụ thuộc vào áp suất, bề mặt piston và tỷ số truyền của bánh răng. Giá trị tác động có thể lên đến 150 Nm.

31

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.13 2

Nguyên lý xy-lanh moment 2

1

Hình 3.14 Cấu trúc xy-lanh moment 1-Ống xy-lanh; 2-End cap

Hình 3.15

Hình dạng của xy-lanh moment

Xy-lanh xung động (Impact cylinder): Lực tác động của các xy-lanh khí nén là có giới hạn. Trong công nghiệp đôi khi yêu cầu lực tác động lớn vượt quá khả năng của xy-lanh tác động kép thông thường. Một xylanh với năng lượng động lực học cao là xy-lanh xung động hay còn gọi là xy-lanh chịu va chạm (impact cylinder). Nó bao gồm 1 bình chứa, cho phép khí được đưa vào xy-lanh với áp suất làm việc cực đại trong khi áp suất xả về giảm. Khi ngắt, piston được gia tốc tức thì, nếu tấm chắn bằng kim loại được đặt ở vị trí động năng cực đại của cần piston thì hiệu suất đạt được là cực đại. Hoạt động của các van điều khiển làm cho áp suất tăng trong buồng xy-lanh A. Nếu xylanh dịch chuyển theo hướng Z, toàn bộ bề mặt piston tách ra, khí nén từ trong buồng A có thể nhanh chóng qua diện tích mặt cắt C. Diện tích tác dụng trên piston tăng lên, do đó lực tạo ra bởi xy-lanh tăng lên đột ngột đẩy mạnh xy-lanh đi ra. 32

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Tốc độ của xy-lanh chịu va chạm vào khoảng 7.5 m/giây và 10 m/giây. Tuy nhiên, trong trường hợp khoảng cách lớn, tốc độ giảm rất nhanh; do đó, xy-lanh chịu va chạm không phù hợp với các khoảng cách điều khiển lớn.

Z

C

A

Hình 3.16

Nguyên lý xy-lanh va chạm

Xy-lanh nhiều vị trí (Mul-ti position cylinder): Xy-lanh nhiều vị trí bao gồm 2 hoặc nhiều xy-lanh tác động kép được nối với nhau. Mỗi xy-lanh sẽ dịch chuyển ra khi cấp khí của vào. Thông thường, các xy-lanh có chiều dài cẩn piston là khác nhau. Mục đích là để tạo được nhiều vị trí xác lập trong điều khiển. Trong trường hợp hai xy-lanh với chiều dài hành trình khác nhau, có thể có 4 vị trí được xác định như hình vẽ 3.17.

Vị trí xy-lanh

stroke 1

vị trí 22 .stroke

stroke. 1

Hình 3.17

33

stroke . 2

Nguyên lý xy-lanh nhiều vị trí

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Z5

0 Z3 Z1 Z4 Z2

Hình 3.18

Một dạng ghép nối các xy-lanh trong xy-lanh nhiều vị trí

3.1.3 Xy-lanh không có cần piston (Rodless cylinder) Xy-lanh không có cần piston có một ưu điểm vượt trội so với xy-lanh có cần piston là chiều dài thiết kế của loại này chỉ bằng một nửa. Loại xy-lanh này được chia làm 3 nhóm chính: -

Xy-lanh kiểu dây đai(Band cylinder). Xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder). Xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ (Cylinder with magnetic coupling).

Hành trình của loại này có thể được thiết kế với chiều dài có thể lên đến 10m. Thiết bị, tải hoặc dụng cụ có thể gắn trực tiếp trên bề mặt của bàn trượt bên ngoài xy-lanh. Lực tạo ra trên mặt trượt là giống nhau theo cả 2 hướng dịch chuyển. Xy-lanh kiểu dây đai (Band cylinder)

Hình 3.19

34

Nguyên lý xy-lanh kiểu dây đai

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong trường hợp của xy-lanh dây đai, lực piston được truyền tới một bộ phận trượt thông qua một dây đai chuyển động tuần hoàn. Khi rời buồng piston dây đai đi qua một đầu bịt. Trong các xy-lanh cáp, dây đai được đảo ngược thông qua một con lăn dẫn hướng. Thiết bị làm sạch đảm bảo rằng không có sự nhiễm bẩn tới con lăn dẫn hướng thông qua các dây đai. Xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder) Với loại này, ống xy-lanh được thiết kế có một rãnh dẫn hướng trên toàn bộ chiều dài. Lực được truyền cho thiết bị hoặc máy sản xuất thông qua một bộ phận trượt nối tới piston.Việc kết nối từ piston tới bộ phận trượt hướng trực tiếp ra ngoài thông qua rãnh trượt. Rãnh trượt được làm kín đai bịt ở phía trong của rãnh. Đai bịt làm kín được dẫn hướng giữa các đệm làm kín piston trong xy-lanh và đi qua mặt dưới của của bàn trượt. Bên ngoài có một vỏ bảo vệ thứ 2 bảo vệ cho rãnh trượt khỏi sự xâm nhập của bụi bẩn từ bên ngoài.

Hình 3.20

Nguyên lý xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt

Xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ (Cylinder with magnetic coupling) Kết cấu xy-lanh này có thiết kế giảm chấn cuối hành trình chuyển động của xy-lanh. Chiều dài xy-lanh cũng tương đương với khoảng chạy. Lực xy-lanh sẽ được truyền đến bàn trượt thông qua lực hút của nam châm. Bàn trượt được làm kín bằng vòng đệm đặc biệt. Kết cấu cơ bản gồm: ống xy-lanh, piston, bàn trượt. Piston trong xy-lanh có thễ dịch chuyển tự do theo tác động của khí nén, và hoàn toàn không có kết nối với bên ngoài. Piston và bàn trượt được được lắp ráp với các vòng khuyên nam châm vĩnh cữu và tạo thành một kết nối từ tính. Khi piston dịch chuyển bởi tác động của khí nén, bàn trượt di chuyển đồng thời với piston. Ống xy-lanh được làm kín hoàn toàn do đó không xảy ra việc mất mát do rò rỉ khí nén khi hoạt động.

35

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.21

1

Nguyên lý xy-lanh kiểu dây đai

2

3

Hình 3.22 Cấu trúc xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ 1-End cap; 2-Outlet slide; 3-Ống xy-lanh

Hình 3.23

Hình dạng và ký hiệu xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ

3.1.4 Cấu trúc xy-lanh Xy-lanh bao gồm một ống xy-lanh, vòng bi và nắp mặt đầu, piston với vòng đệm làm kín, cần piston, ống lót ổ bi, các bộ phận kết nối và các vòng đệm làm kín khác. 9

2

Hình 3.24

8

4

1

5

3

7

6

Thiết kế một xy-lanh có giảm chấn cuối hành trình bằng vòng đệm

Ống xy-lanh (1) thường được chế tạo bằng ống thép liền. Để gia tăng tuổi thọ của các vòng đệm làm kín, bề mặt của ống xy-lanh phải được gia công với độ chính xác rất cao. Với tác các ứng dụng đặc biệt (vận hành thường xuyên, hoặc có ảnh hưởng bởii sự ăn mòn, …), ống xy-lanh có thể được làm từ nhôm, đồng thau hoặc ống thép với bề mặt được mạ crôm.

36

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Bích mặt đầu (2) và nắp ổ bi (3) và phần lớn các bộ phận được chế tạo từ vật liệu đúc (nhôm hoặc gang rèn). Hai đầu có thể được gắn chặt với ống xy-lanh bởi các thanh bulông nối, ren hoặc mặt bích. Cần piston (4) tốt nhất là được làm từ thép chịu nhiệt. Để chống hiện tượng tạo rỉ sét thì người ta thường pha một lượng Cr nào đó trong chế tạo. Thường thì các ren được chế tạo bằng phương pháp cán để tránh nguy hiểm do gãy ren. Vòng làm kín (5) được gắn trong nắp ổ bi để bịt kín khe hở cần piston. Lót ổ trục (6) dẫn hướng cần piston và có thể được thiêu kết với thiếc hoặc phủ kim loại dẻo. Phía trước của lót ổ trục là một vòng cạo (7). Tác dụng là ngăn chặn bụi bẩn và các hạt bụt xâm nhập vào bên trong xy-lanh. Kết cấu vòng đệm làm kín (9) là vòng làm kín trong trạng thái tĩnh. Còn vòng làm kín (8) là vòng làm kín chính giữa 2 khoang hoạt động. Các dạng vòng làm kín chính như trong hình vẽ 3.25. Vòng chữ O

Vòng định hình

Vòng trong rãnh 2 phía

Đệm kiểu cốc đúp

Đệm kín kiểu cốc

Vòng đỡ rãnh và vòng trượt

Hình 3.25

Vòng tiết diện vuông

Vòng đệm kiểu nút

Vòng làm kín L

Vòng làm kín xy-lanh

Các kểu gá lắp của xy-lanh được xác định bởi các thức vận hành của máy sản xuất, thiết bị, … Các xy-lanh có thể được thiết kế với kiểu gá lắp vĩnh cữu nếu như trong suốt quá trình sử dụng không cần thay đổi. Nếu không, xy-lanh có thể được thiết kế có thể thay đổi được kiểu gá lắp bằng cách sử dụng các phụ kiện là các cấu trúc modul chuẩn cơ bản. Điều này làm cho việc lưu giữ, vận chuyển, thiết kế chế tạo đơn giản hơn. Các kiểu gá lắp xy-lanh cơ bản như trong hình 3.26.

37

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Gá chân

Gá mặt bích sau tự xoay

Gá ren

Gá mặt bích trước tự xoay Gá mặt bích giữa tự xoay

Gá mặt bích sau

Gá mặt bích trước Gá mặt bích sau

Hình 3.26

Các kiểu gá lắp xy-lanh

Việc gá lắp xy-lanh và các khớp nối với cần piston phải đảm bảo chắc chắn, phù hợp với các ứng dụng thích hợp; và lưu ý là các xy-lanh chỉ chịu được tải theo hướng dọc trục. 3.1.5 Đặc điểm làm việc của xy-lanh 3.1.5.1

Lực tác động ở hành trình ra (out-stroke) của 1 xy-lanh Nếu chúng ta thiết kế 1 mạch khí để đưa 1 vật từ băng chuyền vào 1 hộp thì cần phải đảm bảo rằng lực tác động từ xy-lanh là phù hợp để vật đó không bị rơi trên băng chuyền mà cũng không bị rơi ra ngoài. Về lý thuyết, giả sử hiệu suất trong xy-lanh là 100% thì ta có công thức sau: F=p∙A Với: -

F : là lực xy-lanh tạo ra (N); p : là áp suất khí nén (Pa); A : là diện tích tác dụng của bề mặt piston (m2 ).

Như vậy, nếu biết áp suất khí nén và diện tích bề mặt piston thì ta có thể xác định được lực do piston tạo ra. Thực tế, ảnh hưởng của các yếu tố khác lên piston như ma sát, lò xo phản kháng, … cũng đáng kể. Thông thường, trong điều kiện làm việc thông thường (áp suất khí khoảng 4 - 8 bar) thì ma sát khoảng 10% lực tính theo lý thuyết do xy-lanh tạo ra. Đối với xy-lanh tác động đơn: Ftt = p ∙ A − (FR + FF )

38

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Với: -

Ftt FF FR

: là lực thực tế do xy-lanh tạo ra (N); : là lực ma sát (friction force) (khoảng 10%) (N); : là lực do lò xo phản kháng (return-spring force) tạo ra (N).

Đối với xy-lanh tác động kép: Đối với xy-lanh tác động kép, không có lò xo phản kháng nên FR = 0: Ftt = p ∙ A − FF 3.1.5.2

Lực tác động ở hành trình vào (in-stroke) của 1 xy-lanh Trong một xy-lanh tác động kép, khi mà khí nén được cấp vào để thực hiện hành trình vào, kéo 1 đối tượng bên ngoài, phần diện tích tiếp xúc với khí nén của piston nhỏ hơn khi thực hiện hành trình ra do thanh truyền của piston (piston rod) chiếm một không gian nhất định. Do đó, lực tác động lên bề mặt piston giảm đi. Nếu đường kính bên trong xy-lanh là R, đường kính thanh truyền piston là r thì diện tích tiếp xúc giữa phần piston và khí nén là: R2 − r 2 . Ta có: F = p ∙ (R2 − r 2 ) Thực tế, lực do xy-lanh tạo ra được tính theo biểu thức: Ftt = p ∙ (R2 − r 2 ) − FF

3.1.5.3

Chiều dài hành trình piston Chiều dài của xy-lanh khí nén không nên lớn hơn 2m; và với xy-lanh không cần thì không quá 10m. Với chiều dài hành trình lớn quá, ứng suất cơ khí trên cần piston và ổ dẫn hướng sẽ quá lớn. Để tránh nguy hiểm lực uốn, sơ đồ lực uốn nên được giám sát đối với các xy-lanh chiều dài hành trình lớn.

3.1.5.3

Công thực hiện trong xy-lanh Gọi W là công sinh ra trong 1 hành trình, F là lực tác động lên piston, L là chiều dài hành trình. Ta có: W=F∙L

3.1.5.4

Tính toán đường kính xy-lanh Ta dễ dàng thấy rằng: A=

39

F p

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3.1.5.5

Lực tạo ra bởi khí xả Ở giai đoạn hành trình ra: F=p∙A Trong thực tế, khí xả cũng tạo 1 áp lực nhất định. Gọi p1 là áp lực khí cửa vào, p2 là áp lực khí xả ra (hình 3.28), ta có áp suất có ích là p1 − p2 và lực tác dụng lên piston là: F = (p1 − p2 ) ∙ A = (p1 − p2 ) ∙ R2

3.1.5.6

Tốc độ piston Tốc độ của piston các xy-lanh khí nén phụ thuộc vào tải, áp suất khí nén vào, chiều dài đường ống khí, diện tích mặt cắt ngang của đường nối giữa phần tử điều khiển và phần tử làm việc và cũng phụ thuộc vào lưu lượng qua thiết bị điều khiển. Ngoài ra, tốc độ còn chịu ảnh hưởng của đệm giảm chấn cuối hành trình. Tốc độ trung bình của xy-lanh khí nén tiêu chuẩn vào khoản 0.1¸1.5 m/s. Với các xylanh đặc biệt, chẳng hạn như xy-lanh va chạm, thì tốc độ lên đến 10 m/s. Tốc độ của xy-lanh được xác định bằng kích thước của van điều khiển và ống nối, độ lớn và loại tải cũng như áp suất khí, nói chung là: VH = (v. p. a⁄c. p. a). 100 Trong đó: -

VH - là tốc độ trung bình khi tải nặng, v. p. a - là diện tích của cửa van (valve port area), c. p. a - là diện tích bề mặt piston (cylinder piston area).

Tố độ không tải của xy-lanh được xác định bởi công thức sau: Vo = (v. p. a⁄c. p. a). 150 Trong đó: -

Vo - là tốc độ không tải. Thông thường VH khoảng 300 mm/s, còn Vo khoảng 450 mm/s.

Thực tế, tốc độ thay đổi. Lúc đầu, sức cản của khí xả cản trở chuyển động của xy-lanh như trường hợp tải nặng. Khi độ lệch giữa áp suất vào và ra tăng thì xy-lanh sẽ đạt tốc độ. Tốc độ cuối hành trình có thể gấp 2 lần tốc độ trung bình. Nên sử dụng thông số tốc độ tối đa trong tính toán động năng của xy-lanh. 3.1.5.7

40

Lượng khí tiêu thụ trong xy-lanh

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Dung tích máy nén tương ứng với 1 piston là lượng khí nén được trong 1 phút và thực tế không phải tất cả thể tích khí phân phối tới piston bằng máy nén. Dung tích máy nén tương ứng với mỗi piston D là: D = L. A. N Trong đó: -

L - là khoảng hành trình của piston, A - là diện tích bề mặt piston, N - số hành trình của piston trong 1 phút.

Chi phí hoạt động của hệ thống khí được xác định bằng lượng khí nén được sử dụng. Do đó, muốn xác định được chi phí này thì cần phải biết lượng khí cần có để vận hành các phần tử khí trong hệ thống. Với xy-lanh tác động đơn Xy-lanh tác động đơn chỉ được vận hành bằng khí ở hành trình ra. Thể tích khí cần thiết cho hành trình ra này là: V = L. A. cr Trong đó, tỷ số nén được tính như sau: cr =

áp suất đo p + áp suất khí quyển áp suất khí quyển

Với đơn vị là bar thì áp suất khí quyển là xấp xỉ bằng 1, ta có: cr = p + 1 Do đó, thể tích khí sử dụng trong một chu kỳ là: V = L. A. (p + 1) Nếu đường kính piston là d1 , đơn vị chiều dài là cm, piston thực hiện n chu kỳ trong 1 phút thì: V=

[L. n. . d12 . (p + 1)] 3 cm ⁄phút 4

Nếu lượng khí tính tiêu thụ tính theo đơn vị lít/phút thì: [L. n. . d12 . (p + 1)]. 10−3 V= lít⁄phút 4 Với xy-lanh tác động kép

41

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Phương trình trên cũng đúng cho trường hợp hành trình ra của xy-lanh tác động kép. Để tính được lượng khí tiêu thụ trong cả chu kỳ, ta phải tính trường hợp hành trình vào của xy-lanh. Tiết diện cần piston tính theo đơn vị cm2 là: (d12 − d22 ) A2 = 4 Trong đó: -

d1 - là diện tích piston, d2 - là diện tích cần piston.

Thể tích khí tiêu thụ khi thực hiện n chu kỳ trong 1 phút là: [L. n. . d12 . (p + 1)] [L. n. . (d12 − d22 ). (p + 1)] V= − 4 4 [L. n. . (2d12 − d22 ). (p + 1)] 3 = cm ⁄phút 4 3.2

Động cơ khí nén (Pneumatic motor) Các thiết bị chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động quay với khả năng chuyển động liên tục được gọi là động cơ khí nén. Động cơ khí nén với góc quay không giới hạn đã trở thành một trong những thiết bị hoạt động bằng khí nén được sử dụng rộng rãi nhất. Các động cơ khí nén có thể phân loại theo thiết kế: -

Động cơ piston (Piston motor) Động cơ cánh gạt (Sliding-vane motor) Động cơ bánh răng (Gear motor) Động cơ tuốc - bin (lưu lượng cao)

Đặc điểm của các động cơ khí nén: -

Điều chỉnh tốc độ và momen êm. Kích thước, trọng lượng nhỏ. An toàn quá tải. Chống cháy nổ. Dải tốc độ rộng. Ít phải bảo trì, bảo dưỡng. Dễ đảo chiều. Không nhạy cảm nhiều với bụi bẩn, nước, nhiệt độ.

3.2.1 Động cơ piston

42

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Động cơ khí nén kiểu piston được chia làm 2 loại: -

Động cơ hướng kính (radial piston motor) Động cơ hướng trục (axial piston motor)

Trục khuỷu của động cơ được điều khiển bởi khí nén thông qua piston chuyển động qua lại và các thanh truyền liên kết. Để động cơ chạy êm, thông thường người ta thiết kế động cơ có nhiều piston. Công suất động cơ phụ thuộc vào áp lực khí đầu vào, số lượng piston, diện tích piston, hành trình và tốc độ piston. Nguyên lý hoạt động của động cơ hướng trục tương tự với động cơ piston hướng kính. Lực từ 5 xy-lanh sắp xếp theo hướng trục được chuyển đổi thành một chuyển động quay thông qua một đĩa nghiêng. Khí nén được cấp đến 2 piston là đồng thời, moment cân bằng giúp cho động cơ hoạt động êm.

Hình 3.24

Nguyên lý động cơ khí nén kiểu piston

Các động cơ khí nén này có thể đảo chiều quay được. Tốc độ tối đa vào khoảng 5.000 vòng/phút, dải công suất với áp lực thông thường là vào khoảng 2 - 25 HP (1.5 - 19 kW). 3.2.2 Động cơ cánh gạt (Air vane motor) Do kết cấu đơn giản và trọng lượng bé cho nên các động cơ kiểu cánh gạt thường được sử dụng cho các công cụ cầm tay. Cửa nối với đường khí nén Trục động cơ

43

Cánh gạt

Vỏ

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.25

Cấu trúc động cơ cánh gạt

Cấu trúc cơ bản gồm các cánh gạt, vỏ động cơ bằng gang, vòng bi, cửa khí nén vào và cửa thoát khí. Inlet

Outlet 1 Outlet 2

Inlet

3 4

Hình 3.26 Nguyên lý hoạt động động cơ cánh gạt 1- Buồng xy-lanh; 2- Rotor; 3- Lò xo; 4- Cánh gạt Một rotor lệch tâm được chứa trong buồng xy-lanh. Các rãnh trượt được xếp trong rotor. Các cánh gạt được dẫn hướng trong các rãnh của rotorvà lực ly tâm chống lại lực bên trong thành ống xy-lanh. Cánh gạt luôn tì lên mặt trong của xy-lanh nhờ lò xo phản kháng đặt trong rãnh trượt. Tốc độ rotor vào khoảng 3.000 đến 8.500 vòng/phút. Động cơ loại này có thể đảo chiều được bằng cách đảo đường áp lực khí nén vào động cơ. Dải công suất của loại này vào khoảng từ 0.1 đến 17 kW (0.14 - 24 HP). Thông thường, các động cơ khí nén được gắn tích hợp hộp số. Một số dạng thường gặp như hình 3.27 sau.

Bánh răng nghiêng

Bánh răng thẳng

Hình 3.27

Bánh răng trục vít

Động cơ cánh gạt và hộp giảm tốc

3.2.3 Động cơ bánh răng Loại động cơ này dựa trên tính chất moment được sinh ra bởi áp suất khí chống lại dạng profin răng của 2 bánh răng ăn khớp với nhau. Một bánh răng chủ động được gắn với trục động cơ. Bánh răng của động cơ có thể ở dạng bánh răng thẳng hoặc nghiêng. Động cơ bánh răng có dải công suất rất lớn, có thể lên đến 44 kW (60 HP). Động cơ bánh răng cũng có thể đảo chiều được.

44

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Động cơ bánh răng

Hình 3.28 3.2.4 Động cơ tuốc-bin

Các động cơ tuốc-bin chỉ có thể sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất thấp, và tốc độ rất cao. Ví dụ như trong máy khoan nha khoa, tốc độ hoạt động của động cơ khoan có thể lên đến 500.000 vòng/phút. Nguyên lý hoạt động là ngược lại với nguyên lý của máy nén.

Hình 3.29 3.3

Động cơ tuốc-bin

Điều khiển xy-lanh tác động đơn Để điều khiển xy-lanh tác động đơn, người ta thường sử dụng van 3 cửa (3-port valve). Theo nguyên lý, có thể phân làm 2 loại cơ bản: -

Van thường đóng (NC - Normally closed). Van thường mở (NO - Normally open).

Van 3/2 có 2 trạng thái hoạt động: -

Trạng thái OFF: khi không có tác động điều khiển. Đối với van thường đóng, khi đó nguồn khí cấp được ngắt và khí còn lại trong xy-lanh thoát tự do ra ngoài. Trạng thái ON: khi có tác động điều khiển. Đối với van thường đóng, khi đó khí nén được đưa vào tác động dịch chuyển xy-lanh. Với van thường mở thì ngược lại

2

2 3

1

3 1

(a)

(b)

Hình 3.30 Cấu trúc nguyên lý của van 3/2 thường đóng a-Khi chưa tác động; b-Khi có tác động điều khiển

45

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2

2

1 3 1 3

2

Hình 3.31

Ký hiệu van 3/2 thường đóng

Ngược lại với loại trên là van 3/2 thường mở. Cấu trúc như hình vẽ 3.28 sau:

2

2 3

1

3 1

(a)

(b)

Hình 3.32 Cấu trúc nguyên lý của van 3/2 thường mở a-Khi chưa tác động; b-Khi có tác động điều khiển

2

1 3

2

1 3 2

Hình 3.33

1 3

Ký hiệu van 3/2 thường mở

Sơ đồ ký hiệu đầy đủ 1 van 3 cửa kết hợp 2 trạng thái và thường được vẽ ở trạng thái không tác động. Van 3 cửa, 2 trạng thái thường được viết là van 3/2. Cách đánh số các cửa như sau: -

Cửa 1: nối vào nguồn khí chính. Cửa 2: nối ra xy-lanh. Cửa 3: cửa xả.

Hình 3.5 ký hiệu 4 loại chính thường được sử dụng của van 3 cửa. -

46

Loại nút nhấn (push-button) được vận hành nhanh và tiện lợi; Loại chìa khóa (key) được dùng khi đòi hỏi mức độ an toàn cao hơn; Loại cần gạt (set-reset) giữ nguyên vị trí set cho tới khi được reset; Loại bàn đạp (foot pedal) được dùng để điều khiển bằng chân.

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2

(a)

1 3

2

(b)

1 3

2

(c)

1 3

2

(d)

Hình 3.34 Một số loại van 3 cửa thường dùng (a) Kiểu nút nhấn; (b) Kiểu khóa; (c) Kiểu cần gạt; (d) Kiểu bàn đạp

Hình 3.35 Hình dạng một số loại van 3 cửa thường dùng (a) Kiểu nút nhấn; (b) Kiểu khóa; (c) Kiểu cần gạt; (d) Kiểu bàn đạp Hình 3.6 vẽ các loại van 3 cửa khác có thể hoạt động bằng các bộ phận hoặc tín hiệu trong mạch. -

Loại cần đẩy (plunger) tương tự như loại nút nhấn và có thể hoạt động nhờ cần piston của 1 xy-lanh. Loại con lăn hành trình (roller-trip) sẽ hoạt động khi piston dịch chuyển vượt qua con lăn ở cả 2 chiều. Loại van con lăn hành trình 1 chiều (unidirectional roller-trip valve) chỉ hoạt động theo 1 hướng nhất định nên thường dùng như ngắt cuối. Loại van điện từ (solenoid valve) chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu khí. Loại van tác động khí (air-pressure valve, pilot valve) là van được điều khiển bởi khí. Loại van màng (diaphragm valve) cảm nhận sự thay đổi nhỏ của áp suất và tác động theo.

Tất cả các loại van trên đều có cơ cấu hồi bằng lò xo. Về cấu trúc, van có thể là van con trượt (spool valve) hoặc van ti (poppet valve). -

47

Van con trượt thay đổi hướng đi của khí bằng một ống dịch chuyển bên trong, đóng cửa 3 ở trạng thái ON và đóng cửa 1 ở trạng thái OFF. Van ti có 1 lỗ nhỏ trong piston cho phép khí xuyên qua đóng cửa 1 ở vị trí OFF. Hình 3.7 vẽ đường đi của khí qua van 3 cửa con trượt.

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2

1 3

2

(a)

1 3

2

(b)

1 3

2

(d)

(c)

1 3

2

1 3

2

(e)

(f)

Hình 3.36 Các loại van điều khiển (a) Kiểu cần đẩy; (b) Kiểu con lăn; (c) Kiểu con lăn 1 chiều; (d) Van điện từ; (e) Van điều khiển khí; (f) Van màng

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Hình 3.37 Hình dạng các loại van điều khiển SMC (a) Kiểu cần đẩy; (b) Kiểu con lăn; (c) Kiểu con lăn 1 chiều; (d) Van điện từ; (e) Van điều khiển khí Hình 3.34 vẽ sơ đồ mạch xy-lanh tác động đơn được điều khiển bởi van nút nhấn 3 cửa trong 2 trạng thái ON/OFF. Hành trình ra là phần dương của hành trình, còn hành trình vào là phần âm. a

b 2 2

(a)

Hình 3.38

48

1 3

1 3

(b)

(c)

Điều khiển xy-lanh tác động đơn dùng van 3 cửa và 2 cửa

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Có thể dùng 2 van 2 cửa thay thế 1 van 3 cửa để điều khiển xy-lanh tác động đơn. Ưu điểm của việc dùng van 2 cửa này là có vị trí trung gian giữa 2 trạng thái 3.4

Điều khiển xy-lanh tác động kép

3.4.1 Điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van 5 cửa Hình 3.35 mô tả van 5 cửa trong đó cửa 1 là cửa khí vào, cửa 2 và 4 là 2 cửa ra xy-lanh, cửa 3 và 5 là 2 cửa xả. Trên hình vẽ là 1 trong 2 trạng thái ổn định. Đường khí chính đi đến cửa 1 qua cửa 2 trong khi đó cửa 4 xả khí qua cửa 5. Khi van chuyển trạng thái khác, khí nén từ cửa 1 qua cửa 4 còn khí thoát từ cửa 2 xả qua cửa 3. Van 5 cửa 2 trạng thái ổn định còn gọi là van 5/2. 4

2

513

Hình 3.39 Ký hiệu van 5 cửa tác động bằng tay 1- Nguồn khí; 2,4-Đến xy-lanh;3,5-Khí xả từ xy-lanh 7 12 10

6

9 PE

PE

8 3 2 11

EXH. 2

EXH. 2 CYC. 2

4

CYC. 2

SUP. 1 CYC. 1 13

SUP. CYC. 1

EXH. 1

EXH. 1

5

Hình 3.40 Cấu trúc và hình dạng của van 5 cửa 1-Thân van; 2-Thân van điều khiển; 3-Head cover; 4-Ti van; 5-End cover; 6-Piston; 7-Cơ cấu tác động; 8-Valve seat (A); 9-Valve seat (B); 10-Valve; 11-Lò xo van;12-Lò xo hồi; 13-Lò xo phản kháng ti van 3.4.2 Van điều khiểnbằng khí nén (Air-pressure operated valve) Trong nhiều tình huống, chúng ta muốn van 3, 5 cửa hoạt động tự động bằng tín hiệu khí hơn là cơ khí. Một van 3(5) cửa được điều khiển bằng khí (double air-pressure operated 3(5)-port valve/pilot-controlled 3(5)/2 valve) được sử dụng cho mục đích này. 49

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí _

4

2

4

513

+

2

513

Ứng dụng van 5 cửa điều khiển xy-lanh tác động kép

Hình 3.41

Hình 3.38 mô tả 1 van 3 cửa điều khiển xy-lanh tác động đơn.

2 1 2

3 1

Hình 3.42

Van 3 cửa điều khiển xy-lanh tác động đơn

Hình 3.39 biểu diễn ký hiệu van 5 cửa điều khiển bằng khí ở 2 trạng thái hoạt động khác nhau. Hình (a) khi có tín hiệu khí nén tác động điều khiển lên cửa 1 2, hình (b) là khi tác động điều khiển lên cửa 1 4. 4

2

1 2

4 1 4

513

2

1 2

2 1 4

513

(a)

4

1 2

(b)

1 4

513

(c)

Các trạng thái điều khiển van 5 cửa: (a) Điều khiển lên cửa 12 (b) Điều khiển lên cửa 14 (c) Một dạng ký hiệu khác của trường hợp (a)

Hình 3.43

Có một số loại van có nguyên tắc điều khiển khác như loại van được mô tả ở hình vẽ 3.40, van nút nhấn 3 cửa hồi về bằng khí (push-button air-return 3-port valve).

50

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2

Hình 3.44

Van nút nhấn 3 cửa hồi về bằng khí

Nếu chúng ta muốn điều khiển van bằng 2 tay điều khiển từ xa thì dùng 2 van 3 cửa hồi về bằng lò xo như trên hình vẽ 3.41. Hình 3.41 vẽ mạch điều khiển từ xa trong trường hợp sau khi van a được nhấn. Khi van a được nhấn xuống (không cần giữ), đường khí qua cửa 1 2 và kéo piston cho đến khi có tín hiệu điều khiển từ van b (đường cửa điều khiển 1 4). Như vậy, luôn có 1 áp lực khí nén vào cả 2 giai đoạn hoạt động của xy-lanh. Hệ thống này được gọi là hệ thống áp dụng áp suất (pressure applied). Điều này có nghĩa van a không cần phải giữ xuống, lực tác động của piston lên đối tượng ngoài luôn được duy trì. Tuy nhiên, nếu van a bị giữ khi nhấn xuống thì van điều khiển không thể nhận được tín hiệu ở cửa 1 4 để thay đổi trạng thái.

a

b 4

1 3

2

1 2

1 4

2

2

1 3

513

Hình 3.45

Van 5 cửa điều khiển xy-lanh tác động kép

3.4.3 Điều khiển xy-lanh ở 2 vị trí 3.4.3.1

Điều khiển tại 1 trong 2 vị trí Nếu một xy-lanh được điều khiển bởi 1 trong 2 vị trí thì ta dùng van chặn (shuttle valve) như trên hình 3.42. Van chặn cho phép khí đi từ cửa 1 sang cửa 2 nhưng không cho phép khí đi thẳng từ cửa 1 này sang cửa 1 kia.

51

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2

2 2 1

1

1 (3)

1

1 (3)

1 (3)

Hình 3.46 Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu của van chặn 1,3-cửa khí nén vào; 2-cửa ra điều khiển Hình 3.43 vẽ cách nối 2 vị trí điều khiển tới xy-lanh, thực hiện phép toán OR (a OR b). a

1 3

2 c b

1 3

2

Điều khiển xy-lanh 2 vị trí

Hình 3.47

Một cách thức khác để thực hiện phép toán logic OR được mô tả trên hình vẽ 3.44. Mạch này cũng có thể mở rộng cho nhiều vị trí điều khiển. a

1 3

Hình 3.48 3.4.3.2

b

2

1

a OR b 2

3

Một phương pháp điều khiển 2 vị trí

Điều khiển đồng thời 2 vị trí Việc thực hiện toán tử logic AND (a AND b) để điều khiển xy-lanh được mô tả trên hình vẽ 3.45.

52

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

a

b 1

1 3

2

3

2

Sơ đồ điều khiển xy-lanh ở đồng thời 2 vị trí

Hình 3.49

3.4.4 Điều khiển đồng thời 2 xy-lanh Nhiều xy-lanh có thể hoạt động đồng thời nhờ các cút nối chữ T và đường ống nối tới các xy-lanh dài như nhau. 1 van 3 cửa có thể điều khiển 2 xy-lanh tác động đơn như trên hình vẽ 3.46. a

1 3

2 A

B

Điều khiển đồng thời 2 xy-lanh

Hình 3.50

Một van 5 cửa có thể điều khiển đồng thời 2 xy-lanh tác động kép như trên hình 3.47. Xy-lanh A

5 1 3

4 G 2 O Xy-lanh B

53

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.51 Sơ đồ van 5 cửa điều khiển đồng thời 2 xy-lanh trong hệ thống mở nắp va đưa vật liệu vào lò Hai xy-lanh dịch chuyển cùng chiều thực hiện và công việc như nâng vật nặng từ 2 phía, dịch chuyển nhiều thiết bị cùng một thời điểm, … Hai xy-lanh dịch chuyển ngược chiều như trường hợp ở nắp và đưa vật liệu vào lò (hình 3.47). Trừ khi tải tác động đồng thời lên 2 xy-lanh là hoàn toàn bằng nhau và hệ thống ống là hoàn toàn đối xứng thì 2 xy-lanh sẽ thực hiện hành trình giống nhau, còn thường thì một xy-lanh sẽ hoàn thành hành trình của nó trước xy-lanh kia. Piston chịu tải nhẹ hơn thì dịch chuyển trước, khí thoát của nó tăng áp lực cản lên piston còn lại, áp suất cản này tồn tại cho đến khi hết hành trình của xy-lanh thứ nhất. 3.4.5 Đồng bộ 2 xy-lanh

A

1

2

2

1

1

2

2

1

4

B

2

1 2

1 4

513

Hình 3.52

Đồng bộ2 xy-lanh bằng các bộ điều chỉnh lưu lượng

Vấn đề đồng bộ sự hoạt động của 2 xy-lanh bằng các bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator) phù hợp như mô tả trên hình 3.48. Các bộ điều chỉnh này có thể được dùng để điều chỉnh tốc độ dòng chảy trong mỗi đường ống cho đến khi các xy-lanh hoạt động đồng bộ. Tuy nhiên, chúng cũng có thể lệch pha trở lại nếu có sự thay đổi tải và độ nhớt ở chu kỳ hoạt động tiếp theo. Phương pháp tốt nhất là sử dụng các van điều khiển riêng cho mỗi xy-lanh như mô tả trên hình 3.49.

54

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Xy-lanh A

1

1

1

1

2

2

2

2

4

2

1 2

a

4 1 4

2

1 2

b 1 4

5 3

5 3

1

1

Hình 3.53 3.7

Xy-lanh B

Điều khiển đồng bộ chính xác các xy-lanh

Điều khiển tốc độ piston Trong nhiều trường hợp yêu cầu điều chỉnh tốc độ hành trình ra và hành trình vào của 1 piston. Thử xem chuyện gì sẽ xảy ra nếu như cửa ra vào trên xe điện và tàu lửa luôn đóng-mở với tốc độ lớn nhất?

3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng Van điều khiển lưu lượng 1 chiều (unidirectional flow control valve) hay còn gọi là bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator) được sử dụng để điều khiển lưu lượng khí chỉ trong một chiều, còn chiều ngược lại thì khí có thể đi qua tự do. Hình 3.50 mô tả cấu tạo và ký hiệu của bộ điều khiển lưu lượng này.

1

1

2

2

Hình 3.54

Bộ điều chỉnh lưu lượng 1 chiều

Trở lại việc điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van 5 cửa và yêu cầu tốc độ hành trình vào thấp hơn bình thường thì ta nối vào mạch khí tương ứng 1 bộ điều chỉnh lưu lượng (hình 3.51), cửa 1 nối càng gần xy-lanh càng tốt.

55

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Xy-lanh A

1 A 2 4

2

a

51 3

Hình 3.55

Điều chỉnh tốc độ hành trình vào của xy-lanh tác động kép

Khi vít chỉnh được vặn vào thì lượng khí vào xy-lanh giảm, làm giảm tốc độ hành trình vào. Khi van điều khiển theo chiều ngược lại thì khi đi tự do qua bộ điều khiển vào xylanh, hành trình ra nhanh hơn. Nếu muốn điều khiển tốc độ piston trong cả 2 chiều thì phương án tốt nhất là ta sử dụng sơ đồ như hình 3.52. Xy-lanh A

1 B 2

1 A 2 4

2

a

51 3

Hình 3.56

Điều chỉnh tốc độ trong cả 2 hành trình của xy-lanh tác động kép

Nếu ta dùng sơ đồ nối 2 bộ điều chỉnh lưu lượng ngược nhau như hình 3.53 thì cũng giải quyết được vấn đề trên. Tuy nhiên, điều này không chứng minh được phương pháp này là tốt vì bộ điều chỉnh lưu lượng B điều khiển khí cung cấp tới xy-lanh thay vì khí xả ra. Khi piston chuyển động ngược với tải, nó sẽ thực hiện một cách không thỏa mãn, chuyển động không trơn tru và với 1 tốc độ không ổn định ở cuối mỗi chu trình. Tóm lại, nên điều khiển lưu lượng khí xả ra từ xy-lanh thay vì điều khiển lưu lượng vào ví nó cho phép điều chỉnh tốc độ láng và ổn định.

56

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Xy-lanh A

1 A 2 2 B 1 4

2

a

51 3

Hình 3.57

Một mạch điều khiển tốc độ không thỏa mãn yêu cầu

Về vấn đề điều khiển tốc độ hành trình vào và ra của xy-lanh tác động đơn, vì không có đường khí xả nên phải dùng 2 bộ điều khiển nối ngược nhau như hình vẽ 3.54.

on

A

1 2

1

2

1 3

2 off

Hình 3.58

Điều chỉnh tốc độ trong cả 2 hành trình của xy-lanh tác động đơn

3.7.2 Bộ giới hạn lưu lượng (Flow restricter) Một thiết bị đơn giản hơn được dùng để điều chỉnh lưu lượng cả 2 chiều là bộ giới hạn 2 chiều (bidirectional restricter).

57

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

7 3

4

2

5

1

6

SUP.

OUT

Hình 3.59 Cấu trúc và hình dạng của bộ điều chỉnh lưu lượng ARX20 1-Thân van; 2-Nắp van; 3-Núm chỉnh định đặt; 4-Piston; 5-Ti van 6-Lò xo phản kháng của van; 7-Lò xo chỉnh định đặt Thiết bị này chỉ có 1 đường khí được giới hạn bởi 1 vít chỉnh hoặc núm chỉnh. Bộ giới hạn này có thể dùng thay cho 2 bộ điều chỉnh lưu lượng ở trên nếu như cả 2 phía yêu cầu điều chỉnh cùng 1 tốc độ. Thiết bị này hiển nhiên kinh tế và hiệu quả hơn. Tuy nhiên, trong thực tế thường yêu cầu điều chỉnh tốc độ ở 2 phía khác nhau cho nên bộ điều chỉnh lưu lượng trên vẫn được sử dụng rộng rãi. A

4

2

1 2

1 4

5 13

Hình 3.60 Bộ giới hạn lưu lượng 2 chiều điều khiển hành trình vào của xy-lanh tác động kép Bộ giới hạn lưu lượng, trong 1 vài trường hợp được sử dụng để điều khiển khí xả ra từ van điều khiển (hình 3.56) nhưng không phải với tất cả các loại van. Trong hình vẽ, lưu lượng khí xả phía bên trái của piston có thể bị giới hạn vì thế tốc độ hành trình vào có thể được điều khiển. 3.8

58

Mạch trễ thời gian

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Mạch trễ thời gian, trong đó 1 cần piston bị giữ lại vài giây trước khi tự động hồi về là rất hữu ích trong những ứng dụng kẹp hoặc ấn yêu cầu áp suất duy trì trong một khoảng thời gian định trước. Bộ phận quan trọng nhất trong mạch trễ là bình chứa (reservoir), nó có tác dụng tương tự như 1 đường ống dài nhưng có thể tích lớn hơn cho nên cần phải có 1 thời gian vài giây để áp suất qua nó đạt giá trị áp suất làm việc trong hệ thống. Kích thước của bình chứa xác định thời gian trễ, bình chứa càng lớn thì thời gian trễ càng lâu. Một bộ điều chỉnh lưu lượng có thể được dùng để giới hạn lưu lượng khí đi vào bình chứa để đạt thời gian trễ lớn hơn. Một bình chứa có dung tích 250 cm3 được nối theo cách này có thể tạo trễ được 4 ¸ 32 giây. Hình 3.57 chỉ ra rằng bình chứa có thể được sử dụng để giữ piston ở vị trí hành trình ra thay cho thao tác ấn. 2

a

Xy-lanh A

b

3 1 c

1 3

4

2

1 2

reservoir

1 4

2

1

2 513

Hình 3.61

Điều khiển xy-lanh tác động kép với thời gian trễ trên hành trình ra thay cho tác động lực

Khi van a được nhấn xuống, piston dịch chuyển đi ra cho tới khi nó tác động lên van b ở cuối hành trình ra của nó. Nguồn khí sau đó cấp qua van b và bộ điều chỉnh lưu lượng đến nạp cho bình chứa, khi áp suất trong bình chứa đủ lớn thì cấp tín hiệu dịch chuyển piston về vị trí ban đầu. Một ít khí thừa trong bình chứa sẽ xả qua van b khi piston trở về. Do đó, thời gian trễ là không thay đổi. Hình 3.58 minh họa mạch tạo trễ cho hành trình ra của 1 xy-lanh tác động đơn bằng cách dùng 1 van 3 cửa điều khiển bằng khí.

59

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Xy-lanh A

on

a reservoir

1 3

2

1

c

2 3 1

off

Hình 3.62

2

Mạch trễ của hành trình ra của xy-lanh tác động đơn

Một hệ thống cửa tự động được thiết kế sao cho khi cửa mở thì sau một khoảng thời gian trễ xác định sẽ tự động đóng lại. Sơ đồ được mô tả như hình vẽ 3.59. Chỉ cần sử dùng 1 van, khi có tín hiệu điều khiển, khí điều khiển được đưa vào của 1 4 của van 5/2, cửa được mở ra. Khi piston đã dịch chuyển hết ra ngoài thì khí sẽ nạp qua bộ điều chỉnh và bình chứa, sau một khoảng thời gian trễ thì tín hiệu từ bình chứa đưa qua điều khiển cửa 1 2 của van điều khiển và cửa đóng lại. Xy-lanh A

2

1

reservoir

R 4

2

1 2

1 4

513

Hình 3.63

Mạch tự động đóng cửa có trễ

Bộ điều chỉnh lưu lượng nên đặt sau điểm R để cửa không bị đóng mạnh. Trong thực tế thì người ta thường dùng tín hiệu điện để điều khiển van và dùng 1 sensor cảm cứng để phát hiện nếu có người đang vào thì chưa đóng cửa. Bình chứa có thể xem như 1 tụ điện trong mạch điện tử, cách mà nó tích trữ áp lực cũng như tụ nạp điện. 3.9

Mạch xung(Pulse circuits) Mạch xung tránh trường hợp xung đột tín hiệu xảy ra ở van điều khiển 5/2 nếu như van điều khiển nó được giữ quá lâu. Những mạch như thế này rất quan trọng trong điều khiển chuỗi. Trên hình vẽ 3.60, van 3 cửa a có đường khí chính nối vào cửa 3 để cho khi nó hoạt động thì bình chứa được giữ ở trạng thái nạp. Khi van này được nhấn, khí trong bình

60

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

chứa gửi tín hiệu tới van điều khiển thực hiện hành trình ra của xy-lanh và xả chậm ra ngoài qua bộ điều chỉnh lưu lượng. Sau một khoảng thời gian nào đó thì tín hiệu trên cửa 1 4 của van điều khiển mất, van điều khiển lúc này sẽ chấp nhận tín hiệu điều khiển từ cửa 1 2. a 4

2

reservoir

c

1

1 2

2

3 513

1 2

Hình 3.64 3.10

Mạch xung điều khiển van

Khí thoát và mạch nhạy cảm áp suất(Air-bleed and pressure-sensing circuits)

3.10.1 Van nhạy cảm áp suất Van màng mỏng (diapharm valve) hay van nhạy cảm áp suất (pressure-sensing valve) đã được giới thiệu ở phần 3.1. Nó có thể là van 3 cửa hoặc van 5 cửa, chức năng của loại van này là khuếch đại tín hiệu áp suất thấp nhờ 1 màng mỏng để cung cấp 1 áp suất lớn cần thiết để kích cho một vùng lỗ nhỏ của van con trượt (spool valve). Nó có thể được kích bởi 1 tín hiệu khoảng 0,5 bar. Nó cũng có thể hoạt động nhờ 1 cửa chân không bên dưới màng mỏng. Đó chính là lý do tại sao luôn có 2 đường điều khiển như được vẽ trên sơ đồ. Đường 1 2 là đường nhạy cảm áp suất dương. Có loại van áp suất có thể điều chỉnh được áp lực vì thế chúng có thể hoạt động bằng sự thay đổi áp lực hoặc bằng sai số đặt của áp lực. Những van nhạy cảm áp suất điều chỉnh được rất hữu ích trong việc điều khiển thời gian trễ chính xác hoặc đảm bảo trạng thái hoạt động tiếp theo, chẳng hạn trong các hệ thống yêu cầu kích hoạt chỉ khi đúng áp suất. 3.10.2 Mạch khí thoát Van màng mỏng được sử dụng rất hữu ích khi nối với đường khí thoát. Đó là 1 thiết bị cho phép khí áp suất thấp thoát ra môi trường xung quanh. Khi thấp áp, khí bị ngăn cách hoặc bịt kín thì tạo áp suất lên đường ống đưa tín hiệu tới van màng điều khiển hệ thống. Mạch 3.61 được dùng để báo hiệu xe vào garage. Một bộ giới hạn đưa khí áp suất thấp đến ống khí thoát. Khi xe vào, đè lên ống mềm này thì làm tắt đường khí thoát, áp suất

61

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khí tăng lên, tác động lên van nhạy cảm áp suất, điều khiển 1 xy-lanh tác động đơn. Kết quả là chuông kêu báo hiệu xe đã vào garage.

1

2

2

Hình 3.65

1 3

Mạch sử dụng khí thoát báo xe vào ga-ra

Lò xo trong xy-lanh đẩy xy-lanh về vị trí cũ đã vượt qua ống mềm vào đúng vị trí. Mạch khí thoát có thể được sử dụng như các công tắc hành trình để đảm bảo an toàn cho máy móc và thiết bị.

1

2

2

1 3

1 2 3 4 5 6 7

Hình 3.66 62

Bộ đếm sử dụng khí thoát

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Mạch khí thoát cũng có thể sử dụng để thiết kế 1 bộ đếm khí như trên hình 3.62. Thiết bị này sẽ hoạt động mỗi khi đường khí thoát bị ngăn cách hoặc bị bịt kín. Mạch này được sử dụng nhiều trong các nhà máy hóa chất để chống nổ. 3.10.3 Mạch nhạy cảm áp suất (pressure-sensing circuits) Van màng có thể được sử dụng để nhạy cảm sự suy giảm áp suất khí xả trong xy-lanh khi piston đã chuyển động đến cuối hành trình. Để thực hiện điều này, nguồn khí cấp vào cửa 3 của van và khí xả qua cửa 1. Van màng chỉ có thể nối vào đường này nếu nó là van con trượt (spool valve), không dùng van ti (poppet valve). Xy-lanh A

x 1 2

a

b 2 1 3

2

4 1 4

1 2 2 c

1 3

513

Hình 3.67

Mạch tự động trở về của piston sử dụng mạch nhạy cảm áp suất

Khi nối vào đường này thì van màng hoạt động như một cổng NOT logic bởi vì xuất hiện tín hiệu ra khi không có tín hiệu vào và ngược lại (hình vẽ 3.63). Khi nhấn nút trên van 3/2 và thả ra, 1 tín hiệu được gửi qua cửa 1 2 của van 5/2, piston được được đẩy ra và bộ điều chỉnh lưu lượng sẽ điều chỉnh lượng khí xả và kéo theo là điều chỉnh tốc độ piston. Bộ điều chỉnh lưu lượng này sẽ duy trì một áp suất ở điểm 𝑥 cho đến khi piston gần đến điểm cuối của hành trình ra. Khi áp suất này giảm xuống 0,5 bar thì van màng sẽ điều khiển cửa 1 4 trả piston về vị trí ban đầu.

63

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 4 MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Mục đích, yêu cầu: Cung cấp cho sinh viên kiến thức chung về điều khiển chuỗi xy-lanh để thực hiện các quy trình trong công nghiệp và nguyên lý thiết kế một mạch chuỗi điều khiển các xy-lanh. (2.3.2) Trong nhiều ứng dụng công nghiệp như các máy đánh bóng và chuyển động của các bộ phận trong dây chuyền sản xuất, mạch tự động yêu cầu hoạt động liên tục.Mặt khác, một chuỗi các thao tác được yêu cầu phải hoạt động theo đúng thứ tự. Nội dung chính của chương này sẽ đưa ra cách sử dụng các phần tử khí để thực hiện các nguyên tắc điều khiển tự động khác nhau. 4.1

64

Điều khiển tự động

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.1.1 Điều khiển bán tự động Điều khiển bằng tay 1 xy-lanh tác động kép đã được trình bày ở chương 3. Hình 4.1 mô tả vấn đề điều khiển bán tự động 1 xy-lanh tác động kép. Van a được đặt cuối hành trình ra của piston. Đầu trục của piston khi ở cuối hành trình ra sẽ tác động van a đưa tín hiệu điều khiển cửa 1 2 của van 5 cửa, piston tự động thực hiện hành trình vào cho dù hành trình ra vẫn đang được điều khiển bằng tay. Xy-lanh A

2 a

3 1 b 4

2

1 2

c 1 4

1 3

2 513

Hình 4.1

Điều khiển tự động xy-lanh tác động kép

Trong mạch điều khiển bán tự động, hoặc là hành trình vào, hoặc là hành trình ra sẽ được điều khiển tự động. Mạch bán tự động này có thể dễ dàng thực hiện bằng điện, lúc này van b là công tắc điện tác động lên van điện từ, van a là 1 công tắc hành trình tác động lên hướng còn lại của van điện từ. Hình 4.2 mô tả mạch bán tự động dùng các phần tử điện.

a

b

Hình 4.2

Điều khiển bán tự động điện xy-lanh tác động kép

4.1.2 Khóa liên động Mạch chuỗi được thiết kế sao cho mỗi thao tác phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác trước. Vấn đề này được gọi là khóa liên động và nên thiết kế vào mạch nếu có thể. Chức năng của khóa liên động là: 65

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

-

Giảm thiểu sai sót do con người. Giảm thiểu những tai nạn lao động. Tránh hư hỏng máy móc, thiết bị.

Một chu trình khóa liên động bằng tay cho 1 chuỗi các thao tác ở đó xy-lanh A thực hiện hành trình ra, sau đó thì xy-lanh B thực hiện hành trình ra, A thực hiện hành trình vào, sau đó B thực hiện hành trình vào được mô tả trên hình 4.3. Chuỗi thao tác này có thể mô tả: A + B + A − B −. B

A c

1 2 4

2

b

3

4

2

1 4

513

a

513

Hình 4.3

Mạch khóa liên động

Khi nhấn van điều khiển a, nguồn khí sẽ cấp thẳng vào cửa 4của van này, tạo áp lực lên xy-lanh A, piston thực hiện hành trình ra và sau đó áp lực vào cửa 1 của van c tăng. Vậy chỉ sau khi xy-lanh A thực hiện hết hành trình ra thì van c mới được kích hoạt để gởi tín hiệu điều khiển van b và van b điều khiển xy-lanh B thực hiện hành trình ra. Khi thôi không tác động điều khiển lên van a thì lò xo hồi của van này sẽ tác động, nguồn khí chuyển sang cấp cho cửa 2 của van a, điều khiểnxy-lanh A thực hiện hành trình vào, nguồn khí đến van c mất, lò xo hồi của van b tác động điều khiển xy-lanh B thực hiện hành trình vào. Hình 4.4 mô tả mạch khóa liên động một phần bằng tay chuỗi xy-lanh A + B + B − A −.

66

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí f

1 3

A

2

B

2 a+

b-

c

e 4

1 3

2

a

1 4

3

d

1 4

1 2

2

b 1 2

1 3

2

1 3

513

2

1 4 2 513

Mạch chuỗi khóa liên động điều khiển tay

Hình 4.4

Nếu van c được ấn xuống thì van điều khiển a điều khiển xy-lanh A thực hiện hành trình ra và đầu trục piston sẽ chạm vào van a+ khi A ở cuối hành trình. Van d cấp tín hiệu điều khiển van b điều khiển xy-lanh B thực hiện hành trình ra. Ở nửa còn lại của chuỗi, ta thấy rằng A không thể được điều khiển trước B vì van b-, phải chạm xy-lanh B ở cuối hành trình vào mới cho phép f điều khiển van a. Hình 4.5 vẽ mạch điều khiển bán tự động tương đương mạch điều khiển tay 4.4.

A

B

2 a+

b-

3 4

2

1

a

1 2

4 1 4

2

b

1 2 c

2

1 4

4

513

513 1 2

1 4 513

Hình 4.5

Mạch khóa tự động chuỗi A + B + B − A −

Mạch này cũng thực hiện chức năng khóa liên động để cho mỗi thao tác của chuỗi không thể thực hiện nếu như thao tác trước đó chưa hoàn thành, lúc này van c được điều khiển bằng tay và tạo tín hiệu điều khiển hoặc là A+, hoặc là B- trong các chế độ riêng 67

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

biệt.Phần còn lại của chuỗi tự động thực hiện theo các chuyển động trước đó. Khi điều khiển c theo 1 2, van điều khiển a sẽ tác động xy-lanh A thực hiện hành trình ra. Chỉ khi nào A thực hiện hết hành trình thì a+ mới được kích hoạt điều khiển van b tác động lên xy-lanh B thực hiện hành trình ra. Nếu điều khiển van ctheo 1 4 thì van điều khiển b sẽ tác động lên xy-lanh B thực hiện hành trình vào và chỉ khi nào B đã thực hiện hết hành trình thì van b- mới có thể tác động điều khiển xy-lanh A thực hiện hành trình vào. Hình 4.6 mô tả mạch khóa liên động 3 xy-lanh, xy-lanh C, chỉ có thể thực hiện hành trình nếu cả 2 xy-lanh A, B đã thực hiện hết hành trình ra của chúng. A a+

C

B b+

4

2

1 2

c

c 1 4

513

1 3

Hình 4.6

2

Chuỗi khóa liên động 3 xy-lanh

4.1.3 Xy-lanh dao động tự động Trên hình 4, van a được bố trí sao cho xy-lanh tác động và tự động điều khiển thực hiện hành trình vào của piston, chúng ta có thể đổi van b thành 1 van 3 cửa tác động ngắt cơ khí tương tự van a để thực hiện tự động hành trình ra của piston. Mạch 4.7 thực hiện 1 mạch hoàn toàn tự động. Xy-lanh A sẽ tác động lên van a+ khi hết hành trình ra và tác động lên van a- khi hết hành trình vào. Van c là 1 van ngắt, thực hiện khởi động và dừng hệ thống. Nếu van c bật ở vị trí ON và van a- bị ngắt (bị tác động bởi đầu trục piston của xy-lanh A) thì hệ thống sẽ khởi động. Nếu van c bật sang OFF ở bất cứ lúc nào thì xy-lanh sẽ tự động chuyển động về vị trí ngắt a- (dừng lại ở cuối hành trình vào của nó). Van ngắt thì nên đặt ở vị trí thuận tiện cho việc điều khiển để có thể dừng bất kỳ lúc nào, tăng độ an toàn cho hệ thống. Nếu muốn dừng xy-lanh ở cuối hành trình ra của nó, (đầu xy-lanh chạm van a+) thì van c phải đặt ở điểm X trên mạch.

68

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2 A a-

4

2

on

a

1 2

2 a+

3 1 c

1 4 1 2

513

3 off

Xy-lanh tự động chuyển động tịnh tiến

Hình 4.7

4.1.4 Mạch tự động điều khiển tốc độ 1 phần hành trình Bộ điều chỉnh lưu lượng cho phép chúng ta điều khiển cả hành trình ra và hành trình vào của piston, nhưng thông thường chỉ yêu cầu điều khiển phần cuối của hành trình ra để tăng hiệu suất của hệ thống. Để thực hiện điều này, chúng ta ghép 1 van 3/2 điều khiển bằng khí với 1 van loại con lăn hành trình 1 chiều như hình 4.8.

1 3

2 A a-

3 1 a+

b 4

2

a

1 4

1 2 3 5 1

2

1 3

Hình 4.8

69

Mạch điều khiển tốc độ 1 phần hành trình

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Van a-, điều khiển hành trình ra của xy-lanh A, đầu trục piston của xy-lanh này sẽ chạm vào con lăn của van b ở thời điểm cần giảm tốc độ, vì van b là van 1 chiều nên nó chỉ hoạt động theo 1 chiều (trong sơ đồ là chiều ra của piston), van b điều khiển van c, đường thoát khí của xy-lanh lúc này qua cửa 5 của van điều khiển a và lưu lượng khí thoát bị giới hạn, tốc độ piston giảm, khi piston chuyển động hết hành trình thì tác động lên van a+, đường khí thoát chuyển sang cửa 3 của van điều khiển a và không bị giới hạn nữa, xy-lanh thực hiện hành trình vào hết tốc độ. Khi van a- ngắt thì gởi tín hiệu đến điều khiển van a và bắt đầu thực hiện hành trình ra kế tiếp. 4.1.5 Mạch trễ tự động Mạch trễ tự động được giới thiệu trên hình 4.9 được thực hiện khi biết trước thời gian giữa 2 thời điểm bắt đầu thực hiện hành trình ra và hành trình vào của 1 chuyển động tịnh tiến. Tại cuối mỗi hành trình piston, bình chứa xả khí tự do qua bộ điều chỉnh lưu lượng của nó và về cửa xả của van điều khiển. Bộ điều chỉnh lưu lượng yêu cầu chỉnh định cẩn thận để đảm bảo hoàn thành việc điều khiển đồng thời tạo được thời gian trễ ở cuối mỗi hành trình.

1

1

2

2 4

2

1 2

1 4 51 3

Hình 4.9

Mạch tạo trễ

4.1.6 Mạch tự động nhạy cảm áp suất Van nhạy cảm áp suất, được nối như là 1 cổng NOT logic, có thể phát hiện piston ra hết hoặc vào hết và khi đó áp lực khí thoát giảm xuống dưới 0.5 bar, sau đó có thể phát tín hiệu điều khiển giai đoạn chuyển động tiếp theo của 1 mạch tự động (hình 4.10). Khi chuỗi này khởi động, 1 tín hiệu nhận được ở cửa 1 4 của van điều khiển a và tạo nên chuyển động của piston theo chiều như hình vẽ, lúc này áp suất ở 2 phía X, Y đều cao. Cuối cùng cả van b và c đều có tín hiệu điều khiển vào cửa 1 2 nên chúng không tạo được tín hiệu điều khiển van a. Khi piston đã thực hiện hết hành trình vào thì tín hiệu ở phía Y vẫn cao nhưng phía X thì giảm. Khi áp suất phía X nhỏ hơn giá trị đặt, thì tín hiệu trên cửa 1 2 của van nhạy cảm áp suất b mất và van b mở thông đường 2 3 cấp tín hiệu tới cửa 1 2 của van điều khiển a, xy-lanh bắt đầu thực hiện hành trình ra. Quá trình còn lại xảy ra tương tự.

70

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

X

Y

on 12 3 1

a

12 4

2 1 2

1 4

3

2

2

1

3 1

2

51 3 off

b

Hình 4.10

4.2

c

Điều khiển tự động chuyển động tịnh tiến của xy-lanh dùng van nhạy cảm áp suất

Điều khiển chuỗi Nhiều máy tự động khí hoàn toàn được thiết kế để thực hiện các thao tác như định vị đối tượng, thao tác kẹp, hoặc ấn các vật theo 1 thứ tự định trước, … Xét 1 tay máy, di động theo 1 đường tròn, kẹp 1 vật thể, quay về lại vị trí trước đó, nhả vật thể ra trên 1 băng tải. Như vậy yêu cầu có 2 xy-lanh: 1 chuyển động quay theo 1 cung tròn, 1 thực hiện thao tác gắp. Ta ký hiệu A+ là chuyển động ra của xy-lanh thứ nhất thực hiện quay cung tròn, B+ thực hiện gắp vật thể, A- là quay trở lại băng tải, Blà nhả vật thể. Toàn bộ chuỗi này là A+, B+, A-, B-. Chuỗi này có thể được biểu diễn bởi sơ đồ 4.11, thể hiện rõ bản chất có chu kỳ của mạch tự động. A+ start B-

B+

A-

Hình 4.11

Sơ đồ biểu diễn chuỗi hoạt động của các xy-lanh

Mạch điều khiển chuỗi là mạch dễ nhất, thao tác này sẽ kích thích thao tác tiếp theo của chuỗi. Mạch điều khiển tay máy trên được vẽ trên hình 4.12. Khi ta khởi động mạch bằng van ngắt, đưa tín hiệu tới cửa 1 4 của van điều khiển a, xy-lanh A thực hiện hành trình ra, sau đó van a+ ngắt, kích thích cửa 1 4 của van b, xy-lanh B thực hiện hành trình ra, sau đó van b+ ngắt, đưa tín hiệu tới cửa 1 2 của van điều khiển a, xy-lanh A thực hiện hành trình vào, van a- ngắt, xy-lanh B thực hiện hành trình vào, van b- ngắt, … quá trình lặp lại. 71

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 3

2 A a-

2 a+

3 1 4

2

a

start

1 2

1 4

c

1

513

2

3 stop

1 3

B

2 b-

2 b+

3 1 4

2

1 2

b 1 4

513

Hình 4.12

Mạch tự động điều khiển tay máy

Để thực hiện được thao tác gắp, thì ta có thể thay xy-lanhA bằng 2 xy-lanh tác động đồng thời ngược nhau. Trong trường hợp này van điều khiển c nối với cả 2 xy-lanhA1, A2 như hình vẽ 4.13. Hoặc cách khác như hình 4.14, dùng chỉ 1 xy-lanhA, thực hiện thao tác gắp ở hành trình ra của nó.

72

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí A1

A2

4

2

c

1 2

1 4

513 A1

A2

c

4

2

1 2

1 4

513

Hình 4.13

Hình 4.14

Thao tác gắp vật thể dùng 2 xy-lanh

Thao tác gắp vật thể dùng 1 xy-lanh ở hành trình ra

Hình 4.15 giới thiệu mạch thực hiện thao tác gắp ở hành trình vào, lực hành trình vào của xy-lanh B phải được tính toán cẩn thận, và chuỗi thao tác sẽ như sau: A+, B-, A-, B+ (hình 4.16).

73

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Thao tác gắp vật thể dùng 1 xy-lanh ở hành trình vào

Hình 4.15

1 3

A

2 2

a-

a+

3 1 4

2

a

1 2

start 1 4

c

1

513

2 1 3

2

stop

B b-

3

2 b+

3 1 4

2

1 2

b 1 4

513

Hình 4.16

74

Mạch điều khiển chuỗi A+ B- A- B+

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.2.1 Mạch chuỗi có trễ thời gian Đôi khi mạch chuỗi cũng cần có trễ thời gian để cho phép 1 bộ phận nào đó dịch chuyển về vị trí trước khi khởi động chuỗi. Bằng cách tương tự hình vẽ 4.9 điều khiển tịnh tiến 1 xy-lanh. Hình 4.17 minh họa điều khiển chuỗi 2 xy-lanh bằng phương trễ thời gian.Mạch trễ này có thể thực hiện được bằng cách dùng bình chứa và 1 van điều chỉnh lưu lượng đặt ở vị trí R. Cửa 2 của van ngắt nối với cửa 1 của van điều chỉnh lưu lượng, sau đó khí qua van điều chỉnh lưu lượng vào bình chứa và đến cửa 1 4 của van điều khiển a. Những van con lăn hành trình (roller-trip) được thay bằng những bình chứa và van điều chỉnh lưu lượng do đó mỗi thao tác có 1 thời gian trễ trước lúc kích thích phần tiếp theo của chuỗi. Khi tác động van ngắt khởi động chuỗi, xy-lanh A thực hiện hành trình ra và duy trì 1 áp suất tại W và sau đó nạp cho bình chứa R1, sau 1 thời gian trễ nào đó, van b được điều khiển để thực hiện hành trình ra của xy-lanh. Quá trình lặp lại trong mỗi giai đoạn hoạt động.Mạch trễ này cần phải được chỉnh định cẩn thận để mạch hoạt động đúng và nói chung nó không đủ tin cậy để sử dụng trong những mạch điều khiển chuỗi phức tạp. Cylinder A

W

Y

4

2

start

1 2

1 4 Control valve a 513

c

1

2

3

1 stop

R2 2

2

1

R3

R4

Cylinder B 2

2

R1 1

X

Z

4

1

2

1 4

1 2 Control valve b 513

Hình 4.17

Mạch tạo trễ tự động cho chuỗi A+ B+ A- B-

4.2.2 Mạch chuỗi nhiều xy-lanh Cũng như 2 nửa của chuỗi có cùng thứ tự các chữ cái, chúng ta có thể thiết kế chuỗi có nhiều xy-lanh. Một chuỗi 3 xy-lanhA+, B-, C+, A-, B+, C- cũng giống 1 mạch điều 75

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khiển chuỗi đơn giản và chúng ta có thể nối các bộ phận theo nguyên tắc phần tử này kích thích phần tử tiếp theo như hình vẽ 4.18.

1 3

A

2 2

a-

a+

3 1 4

2

a

start

1 2

1 4

c

1

513

2 1 3

3 stop

2

B

2

b-

b+

3 1 4

2

b

1 2

1 4

513

1 3

C

2 c-

2 c+

3 1 4

2

1 2

c 1 4

513

Hình 4.18

76

Mạch tự động cho chuỗi A+ B- C+ A- B+ C-

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.2.3 Mạch chuỗi ngược A+, B+, C+, C-, B-, A- là một ví dụ về mạch điều khiển chuỗi ngược trong đó xy-lanh chuyển động về theo 1 thứ tự ngược lại. Việc thiết mạch này phức tạp hơn. 4.2.4 Mạch chuỗi không khả thi Nếu 1 quá trình cần dịch chuyển 1 bộ phận, ép mạnh xuống, nhấc lên, đưa về chỗ cũ, mạch sẽ được thiết kế theo chuỗi A+, B+, B-, A-. Nửa sau của chuỗi hoạt động theo thứ tự ngược lại.Việc nối mạch đơn giản như các mạch trước, nhưng với những hoạt động xy-lanh theo thứ tự mới, chỉ ra rằng chuỗi này tắc tín hiệu khí và không thể hoạt động được như 1 mạch chuỗi đơn giản. Mạch trên hình 4.19 hoạt động như sau: Khi khởi động xy-lanh A thực hiện hành trình ra, van a+ gởi tín hiệu điều khiển cửa 1 4 của van b, tín hiệu này được duy trì cho đến khi xy-lanh A rút về. Xy-lanh B thực hiện hành trình ra kích thích van b+ gởi tín tới cửa 1 2 của van điều khiển b. Tín hiệu này dĩ nhiên không có tác dụng vì lúc này cửa 1 4 vẫn có tín hiệu duy trì. Do đó mạch này không thể hoạt động được.

1 3

A

2 2

a-

a+

3 1 4

2

a

1 2

start 1 4

c

1

513

2

3 stop

1 3

2 B b-

2 b+

3 1 4

2

1 2

b 1 4

513

Hình 4.19 77

Một mạch chuỗi A+ B+ B- A- không thể hoạt động được

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.2.5 Tín hiệu xung Một phương pháp đơn giản để khắc phục vấn đề tín hiệu duy trì này là sử dụng thiết bị ngắt 1 chiều cho van a+ để nó hoạt và nhả trong hành trình ra của xy-lanh A và vì thế cung cấp tín hiệu xung điều khiển van b. Tín hiệu xung cung cấp bởi 1 bình chứa (hình 4.20) là 1 cách để đảm bảo rằng tín hiệu không được duy trì và có thể được sử dụng trong mạch trên cho phép hoàn tất chuỗi. khí thoát

3

2

4

1 4

1 2

a+

2

Bình chứa

1 Control valve b 513

Hình 4.20

Mạch cung cấp tín hiệu xung cho van điều khiển

Khi khởi động van a+, nguồn khí sẽ bị đóng lại và bình chứa xả qua cửa 1 4 của van điều khiển b, phần khí còn lại sẽ bị xả đi cho phép van b+ đưa tín hiệu điều khiển van b dịch chuyển xy-lanh B thực hiện hoàn tất chuỗi A+, B-, B+, A-. Những tín hiệu xung này không tin cậy và nói chung không ổn định trong những mạch dùng tín hiệu duy trì trước đây, vì vậy trong nhiều trường hợp cần thiết kế mạch phức tạp hơn. 4.3

Điều khiển phân nhóm nối tiếp các chuỗi Hệ thống nối tiếp cung cấp công cụ loại bỏ những tín hiệu duy trì trên các van điều khiển ngăn cản sự hoàn thành chuỗi như là A+, B-, B+, A-. Điều này có thể thực hiện được bằng cách thêm vào một vài van điều khiển và định hướng lại vài tín hiệu nhưng ngược lại giữ nguyên cơ cấu và vị trí của các xy-lanh và van điều khiển cũng như van ngắt.

4.3.1 Mạch nối tiếp 2 nhóm, 2 xy-lanh Xét lại mạch chuyển động và gắp vật thể theo chuỗi A+, B+, B-, A-. Chuỗi phải được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm bao gồm vài ký tự, không để ý đến dấu. Chúng ta có 2 nhóm: -

nhóm 1: A+, B+; nhóm 2: B-, A-.

Để tạo tín hiệu điều khiển xy-lanh B kéo vào, tín hiệu duy trì ở van điều khiển b tạo bởi van ngắt a phải triệt tiêu sau khi xy-lanh B ra hết. Sự thay đổi này phải xảy ra ở ranh 78

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

giới giữa nhóm 1 và nhóm 2. Nếu chúng ta điều khiển nguồn khí cấp tới mỗi nhóm sao cho nhóm 1 dừng ở thời điểm nhóm 2 làm việc, chúng ta có thể kích thích tín hiệu kế tiếp để kéo xy-lanh B vào. Sau khi điều khiển kéo xy-lanh A vào thì chúng ta có thể chuyển nguồn khí từ nhóm 2 sang nhóm 1. Trong 1 hệ thống 2 nhóm nối tiếp, việc chuyển nguồn khí có thể thực hiện bằng van điều khiển 5 cửa có 2 cửa khí điều khiển như hình 4.21. Tín hiệu S2 chuyển nguồn khí từ nhóm 1 sang nhóm 2 và tín hiệu S1 chuyển ngược lại. Đến nhóm valve 2

Đến nhóm valve 1 2

4 S1

1 2

Tín hiệu cuối nhóm 2

S2 513

Hình 4.21

Tín hiệu cuối nhóm 1

Van chuyển nhóm

Rõ ràng rằng một vài đường khí trong mỗi nhóm sẽ phải nối tới cửa 2 và 4 của van chuyển này. Điều này có thể thực hiện trong 1 mạch nhỏ sử dụng cút nối hình T hoặc là bộ nối 4 ngả; trong mạch lớn thì sử dụng thanh góp hoặc ống góp. Chúng thường có dạng ống kim loại hoặc nylon hình trụ hoặc hình vuông với 1 vài cửa nối cho phép nối tất cả các đường với cùng 1 áp suất.

79

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 2

3

A a-

4

2

2 a+

a

1 2

start 1 4

3 1 c

1

513

2

3 stop

1 2

3

B b-

2 b+

3 1 4

2

1 2

b 1 4 4

513

2

1 2

1 4

513

Hình 4.22

Mạch nối tiếp của chuỗi A+ B+ B- A-

Hình 4.22, khởi động van c với nguồn khí đang nối vào nhóm 1, dịch chuyển xy-lanh A ra, tác động ngắt van a+, sau đó kích thích van b dịch xy-lanh B ra, tác động ngắt b+. Van b+ tạo tín hiệu chuyển nguồn khí từ nhóm 1 sang nhóm 2. Lúc này cửa 4 của van chuyển truyền 1 tín hiệu khí tới van a- và b- sao cho chúng có thể hoat động khi nhận tín hiệu. Nó cũng tạo tín hiệu điều khiển van b để kích thích xy-lanh B thực hiện chu trình vào, tác động lên b- điều khiển xy-lanh A thực hiện hành trình vào. Vậy ta có chuỗi: A+, B+, B-, A-. Với 1 vài hệ thống 2 nhóm khác gồm 1 vài xy-lanh, chúng ta sẽ sử dụng van chuyển đổi 5 cửa theo cách tương tựnhưng với nhiều xy-lanh. Chuỗi A-, B+, B-, A+ hiển nhiên tương tự như hình vẽ 4.22 với các đường tín hiệu nối khác đi chút ít. 4.3.2 Mạch nối tiếp 2 nhóm, 3 xy-lanh Bây giờ chúng ta xét chuỗi: A-, A+,B-, C-, C+, B+.

80

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Chúng ta cần 3 nhóm khí: -

nhóm 1: A-; nhóm2: A+, B-, C-; nhóm3: C+, B+.

Tuy nhiên, nhóm 3 có thể ghép chung với nhóm 1, xem sơ đồ 4.23. Điều cơ bản là chia chuỗi thành càng ít nhóm càng tốt. Sơ đồ 4.23 cho phép giảm 3 nhóm xuống thành 2 nhóm và mạch như hình 4.23. Một van ngắt có thể được đưa vào vị trí thích hợp trong mạch.

81

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 2

3

A a-

4

2

2 a+

a

1 2

start 1 4

3 1 c

1

513

2

3

1 2

stop

3

B

2

b-

G2

b+

2

G1

3 1 4

b

1 2

1 4

513 1 2

3

C

2

c-

c+

3 1 4

2

c G1 G2 G2

1 4 G1

1 2

4

513

2

1 2

1 4

513

Hình 4.23

Mạch tự động với chuỗi A+ B- C- C+ B+ A-

4.3.3 Mạch nối tiếp nhiều nhóm 82

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Có 2 phương pháp để thiết kế hệ thống van chuyển nhóm. Một mạch nối tiếp với hơn 2 nhóm khí có thể sử dụng nhiều van chuyển đổi kép 5 cửa điều khiển bằng khí. Hình 4.24 vẽ hệ thống chuyển đổi với mạch nối tiếp 3 nhóm và hình 4.25 vẽ mạch nối tiếp 4 nhóm. Một kiểu khác cho mạch nối tiếp 4 nhóm là chỉ dùng 3 van chuyển đổi như hình 4.26. Các mạch này vẫn yêu cầu van chuyển đổi kép 5 cửa và 2 van điều khiển dừng cho mỗi xy-lanh, chúng vẫn yêu cầu van ON/OFF, nó được đặt ở chuyển động thứ nhất trong vòng để khi dừng thì cả các phần tử trong hệ thống ở vị trí ban đầu. Group 3

Group 2

Select group 3

Hình 4.24

Hình 4.25

83

Select group 2

Select group 1

Mạch nối tiếp 3 nhóm sử dụng 3 van chuyển đổi

Group 4

Select group 4

Group 1

Group 3

Select group 3

Group 2

Select group 2

Group 1

Select group 1

Mạch nối tiếp 4 nhóm sử dụng 4 van chuyển đổi

Group 1

Group 2

Group 3

Group 4

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4

2

1 2

4

4

1 4

Signal from last operator in group 2

2

1 2

Hình 4.26

Signal from last operator in group 1

2

1 2

Signal from last operator in group 4

1 4

1 4

Signal from last operator in group 3

Mạch nối tiếp 4 nhóm sử dụng 3 van chuyển đổi

Nếu có 1 xy-lanh tác động đơn trong mạch, thì van điều khiển chỉ cần van điều khiển khí 3 cửa. Hơn thế nữa, nên đưa vào 1 van dừng hoặc ngắt sự cố, van an toàn. Khi đó mạch được nối sao cho mỗi thao tác sẽ khích thích thao tác tiếp theo hoặc chuyển đổi trong chuỗi. 4.3.4 Thiết kế mạch nối tiếp nhiều nhóm Giả sử cần thiết kế cho chuỗi sau: A+, B+, B-, C+, C-, D+, A-, D-. Các bước thực hiện như sau:  Tách chuỗi thành các nhóm, càngítnhóm càng tốt. Xem hình 4.27. group 1 A+

B+

(1)

start BD-

group 2

(3)

C+ A-

group 3

Hình 4.27

84

D+

C-

(2)

Biểu diễn vòng của chuỗi A+ B+ B- C+ C- D+ A- D-

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Đường 1, 2 và 3chia sao cho không được có 2 ký tự giống nhau trong cùng 1 nhóm, bây giờ chuỗi được chia thành 3 nhóm.  Xác định các phần tử trong mạch. Cần có 4 xy-lanh, 4 van điều khiển khí kép, 8 van ngắt 3 cửa, một số tối thiểu các van chuyển đổi nhóm và 1 van ON/OFF.  Vẽ các phần tử trong mạch, với các thanh góp nối tới mỗi van chuyển đổi nhóm. Nhóm 1 được nối tới cửa 1 của của các van ngắt d-, a+, b+; nhóm2 nối tới cửa 1 của van b-, c+; nhóm 3 nối tới cửa 1 của van c-, d+, a-.  Nối mạch theo chuỗi, Khởi động van ON/OFF, nối các cửa ra của chúng với tín hiệu dịch chuyển đầu tiên của chuỗi, A+, qua van điều khiển a, van a+ điều khiển B+, B+ điều khiển van chuyển đổi nhóm 1 và 2 , cửa ra của van chuyển đổi này sau đó điều khiển thao tác tiếp theo B-, van b- điều khiển c+, c+ điều khiển van chuyển đổi nhóm 3 để điều khiển C-, c- điểu khiển D+, d+ điều khiển A-, a- điều khiển van chuyển đổi về lại nhóm 1 để điều khiển D-, d- quay lại điểm khởi động điều khiển A+. Mạch được mô tả trên hình 4.29.

85

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí (G3)

A a-

4

2

a+

a

1 2

start 1 4

513

stop

B b-

b+

2

b

G3

4

1 4

G1

1 2

(G3)

(G1)

(G1)

513

C c-

c+

(G2)

c

1 4

1 4 (G2)

2

G2

4

1 2

1 4 G1

513

G2

2

3 5

4 1 2 G3

2

3 1 5

4 1 2

d-

4

2

1 4

d+

(G3)

D

d 1 2

513

Hình 4.28 86

Mạch tự động cho chuỗi A+, B+, B-, C+, C-, D+, A-, D-

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.3.5 Biểu đồ chuỗi Biểu đồ chuỗi dùng để minh họa 1 cách đơn giản sự hoạt động của mạch. Đồng thời nó cũng cần thiết trong việc tạo ra sơ đồ chuỗi để thiết kế mạch.

A a-

4

2

a+

a

1 2

start 1 4

513

stop

B b-

4

2

b+

b

1 2

1 4

513

Hình 4.29

Mạch tự động với chuỗi A+ B+ A- Bone cycle . a+

a+

cylinder

A

a-

b+ B b-

Hình 4.30

Biểu đồ chuỗi A+ B+ A- B-

Xét mạch của chuỗi A+, B+, A-, B- trên hình 4.29, van a+ và a- đặt ở cuối hành trình ra và vào của xy-lanh A, a+ điều khiển B thực hiện hành trình ra và a- điều khiển B thực hiện hành trình vào. Điều này và những chuyển động tạo bởi b+, b- có thể được biểu 87

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

diễn trong biểu đồ chuỗi mà nó biểu diễn xy-lanh ở điểm cuối của nó bằng đường nằm ngang và chuyển động của nó bằng các đường chéo. Một đường chéo có độ dốc dương nối từ điểm – đến điểm + biểu diễn cho 1 hành trình ra và ngược lại. Tại điểm cuối của đường này, 1 van điều khiển nào đó được tiếp xúc tự động và tác động điều khiển thao tác tiếp theo. Hình 4.30 vẽ biểu đồ chuỗi của mạch hình 4.29. Ở trên đỉnh của biểu đồ, xy-lanh A được vẽ chuyển động dương (hành trình ra) và tiếp xúc với a+, sau đó điều khiển B thực hiện hành trình ra. Do đó ở cuối của đường chéo chỉ thị chuyển động A+ thì ký hiệu a+ và điểm này được nối thẳng đứng tới B- , sau đó nối chéo tới B+, Ở đây van điều khiển b+ nối thẳng đứng tới A+ và đường chéo tiếp theo tới A- chỉ thị hành trình vào của A, a- được nối thẩng đướng tới B+ và đường chéo tiếp theo tới B- chỉ thị hành trình vào của B, hoàn tất 1 chu kỳ. Một mạch cho chuỗi A+, B-, C+, A-, B+, C- được vẽ trên hình 4.31. Và biểu đồ chuỗi của nó vẽ trên hình 4.32.

88

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A a-

4

2

a+

a

1 2

start 1 4

513

stop

B

4

2

b-

b+

c-

c+

b

1 2

1 4

513

C

4

2

1 2

c 1 4

513

Hình 4.31

89

Mạch tự động cho chuỗi A+ B- C+ A- B+ C-

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí one cycle . a+

a+ a-

cylinder

A

b+ B

b-

c+ C c-

Hình 4.32

Biểu đồ chuỗi A+ B- C+ A- B+ C-

Ở đây ta có thể thấy rõ chuỗi chuyển động của các xy-lanh và các cơ cấu. Nói chung các đường hoạt động của xy-lanh đều có độ dốc bằng nhau so với trục nằm ngang, tuy nhiên nếu quan tâm đến tốc độ piston thì độ dốc này có thể được thay đổi để chỉ thị nó. Một biểu đồ vẽ chuỗi tín hiệu được yêu cầu để thiết lập thứ tự các tín hiệu và chuyển động trong việc thiết kế các chuỗi phức tạp. BÀI TẬP Bài tập #19 (72): Một phôi thép hình khối được cung cấp từ một khay chứa đến máy khoan, bàn khoan, gia công và đưa thành phẩm ra thùng chứa sản phẩm được minh họa như hình vẽ 4.33.

2A 1A

3A

Hình 4.33 90

Hệ thống khoan lỗ dùng xy-lanh khí nén

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Một xy-lanh kẹp được lắp theo phương nằm ngang (1A) sẽ đẩy phôi ra khỏi khay chứa vào vị trí dưới mũi khoan và giữ chặt ở vị trí cuối cố định. Khi áp suất kẹp đạt giá trị p = 4 bar thì trục quay máy khoan (gắn với xy-lanh khí 2A) di chuyển xuống và thực hiện thao tác khoan gia công lỗ trên phôi. Lực khoan cực đại được chỉnh định bởi bộ điều chỉnh áp suất. Với hệ thống này, giá trị đặt là p = 5 bar. Sau khi hoàn thành thao tác khoan, được xác định bằng van con lăn hành trình, mũi khoan được kéo về vị trí ban đầu. Khi hoàn thành thao tác trở về của mũi khoan, vật được lấy ra thùng chứa bằng một xylanh tác động đơn (3A). Sau khoảng thời gian t = 0.6 giây, xy-lanh thực hiện hành trình về ngay. Khi xy-lanh 3A hồi về vị trí cuối thì 4 van con lăn hành trình được tác động; các tín hiệu này cho biết bắt đầu một chu trình mới. Một đồng hồ chỉ thị độc lập dùng để chỉ báo áp lực của xy-lanh kẹp phôi (1A). Một đồng hồ nữa dùng để chỉ báo áp lực của đường ống P2. Hệ thống điều khiển được khởi động bằng nút khởi động độc lập. Đề chọn chu trình mới một van detented được lắp thêm vào. Solution (182): Theo mô tả của đề bài, hệ thống hoạt động theo chuỗi và phân chia nhóm như sau: 1A + 2A + | 2A − 1A − 3A + | 3A − Từ đó, có thể thấy rằng chuỗi hoạt động cần được chia thành ít nhất là 2 nhóm. Một van chuyển nhóm dùng chia nguồn khí cung cấp cho 2 nhóm trên. Biểu đồ chuỗi cho bài toán như sau:

Hình 4.34

Biểu đồ chuỗi cho bài toán

Vị trí ban đầu Tại vị trí ban đầu, tất cả 3 xy-lanh đều ở vị trí vào hết (end position). Xy-lanh kẹp 1A tác động lên van con lăn 1S1. Van con lăn 2S1 được tác động bởi xy-lanh 2A. Nguồn

91

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khí P1 xả ra ngoài. Nguồn khí P2 được cung cấp thông qua van chuyển nhóm 0V2 với giả sử là phía bên trái. Bước 1-2 Nhấn nút khởi động 1S2 làm cho van điều khiển 1V3 thay đổi trạng thái. Xy-lanh kẹp 1A với tốc độ dịch chuyển ra bị giới hạn bởi van 1V4, đẩy phôi cuối cùng ra khỏi khay chứa đến vị trí nằm dưới mũi khoan và giữ cho nó ở vị trí kẹp. Áp lực tiếp tục tăng trong xy-lanh kẹp 1A. Khi áp lực đạt giá trị p=4bar (=400 kPa) trong xy-lanh thì van chuỗi áp lực 2V1 hoạt động và thay đổi trạng thái. Bước2-3 Với hoạt động của van chuỗi áp suất 2V1, đồng thời với nguồn khí từ ống P2, van điều khiển 2V3 hoạt động. Xy-lanh khoan dịch chuyển ra có điều khiển lưu lượng 2V4. Van con lăn 2S2 tác động khi xy-lanh đạt vị trí ra hết. Bước3-4 Khi xy-lanh đến vị trí cuối cùng, xy-lanh khoan 2A trở về vị trí khởi động ban đầu. Hành trình về được khởi động bởi hoạt động của van con lăn hành trình 2S2 điều khiển van chuyển nhóm 0V2. Đường khí nén P1 được cấp khí nén. Đường khí P2 xả ra ngoài và van điều khiển cuối cùng 2V3 trở về phụ thuộc. Xy-lanh cấp phôi 2A tác động van con lăn hành trình 2S1 ở cuối hành trình ra của xy-lanh. Bước4-5 Khi van con lăn hành trình 2S1 chuyển trạng thái, van điều khiển 1V3 thay đổi trạng thái, do đó đường khí P1 bị cắt. Xy-lanh kẹp 1A trở về không giới hạn tốc độ. Ở cuối hành trình vào, xy-lanh tác động lên van con lăn hành trình 1S1. Bước5-6 Phần tử điều khiển cuối cùng 3V1 chuyển trạng thái bởi tác động van con lăn 1S1. Xylanh lấy thành phẩm ra 3A đẩy thành phẩm ra khỏi dây chuyền. Cùng lúc đó, bình tích năng của van trễ 0V1 được cấp khí qua bộ giới hạn. Van trễ 0V1 được tác động ở áp suất điều khiển p = 3 bar (= 300 kPa) Bước6-7 Khi van trễ 0V1 chuyển trạng thái, xy-lanh lấy thành phẩm 3A trở về với tốc độ tối đa. Chuyển động nhanh của xy-lanh đạt được nhờ sử dụng van xả nhanh 3V2. Trong hành trình vào đến cuối hành trình, xy-lanh lấy thành phẩm 3A tác động lên van con lăn hành trình 3S1. Khi van 5/2 với sự chọn lựa của van 1S3 được bật, một chu trình mới được thiết lập. Chu trình liên tục / Chu trình đơn

92

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

When the valve with selector switch (1S3) is in the position shown, astart signal with the push button (1S2) initiates a single cycle. A continuouscycle is also initiated by reversing the 5/2-way valve with selectorswitch (1S3). If the detented valve is reset, the controller remains in theinitial position at the end of the cycle.

93

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Componets list Components Description 0V1 Time delay valve, normally closed 0V2 5/2-way double pilot valve

Bài tập #19 (72):

94

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 5 CÁC PHẦN TỬ VÀ MẠCH LOGIC KHÍ

Mục đích, yêu cầu: Ứng dụng một số hàm logic, đại số Boole vào các phần tử khí. Sử dụng bảng Karnaugh-Veitch để thiết kế mạch khí. (1.1.3) Trong thực tế để một hệ thống hoạt động được,ngoài cơ cấu thực hiện còn có thiết bị điều khiển.Tùy theo tính chất, điều kiện và mức độ quan trọng mà người ta chọn các thiết bị điều khiển khác nhau, nhưng trong tất cả các phần tử điều khiển khác nhau chúng đều có thể thực hiện cùng một chức năng. Chẳng hạn từ một thuật toán điều khiển ta có thể thiết kế một hệ thống theo mạch logic hay khí nén. Hệ thống như vậy gọi là hệ thống điều khiển logic khí nén. Vì vậy, để làm được điều này trước hết ta phải hiểu rõ sự tương quan giữa cổng logic (AND, OR, NOT, …)và van (van một chiều, van thoi, van chặn, …), để từ đó ta có thể thiết kế một hệ thống điều khiển bằng khí nén từ một hàm logic hoặc ngược lại. 5.1

Một số hàm logic cơ bản

5.1.1 Hàm AND Xét hàm AND có n cửa vào 1, 2, …, n. Hàm này thực hiện phép toán sau: Out = (In1 ) AND (In2 ) AND … AND (Inn ) Có nghĩa là cửa ra chỉ được kích thích khi tất cả n cửa vào đều được kích thích. 1

In 2 3

Hình 5.1a

AND

Out

Hàm logic khí AND

5.1.2 Hàm OR Xét hàm OR có n cửa vào 1, 2, …, n. Hàm này thực hiện phép toán sau: Out = (In1 ) OR (In2 ) OR … OR (Inn ) Có nghĩa là cửa ra được kích thích khi chỉ cần 1 cửa vào được kích thích.

95

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí 1

OR

In 2 3

Hình 5.1b

Out

Hàm logic khí OR

5.1.3 Hàm NOT Hàm này luôn chỉ có 1 tín hiệu vào. Khi không có xung điều khiển thì tín hiệu ra bằng tín hiệu vào, khi có xung điều khiển xuất hiện thì tín hiệu ra mất. Impulse In

Hình 5.1c

NOT

Out

Hàm logic khí NOT

5.1.4 Hàm NAND Xét hàm NAND có n cửa vào 1, 2, …, n. Hàm này thực hiện phép toán sau: Out = (In1 ) NAND (In2 ) NAND … NAND(Inn ) Có nghĩa là cửa ra chỉ không được kích thích khi tất cả cửa vào được kích thích. Để minh họa, ta xét hàm NAND có 2 cửa vào 1, 2. Bảng sự thật mô tả hoạt động cho hàm này như sau: I1 không không có có

I2 không có không có

Out có có có không

5.1.5 Hàm NOR Xét hàm NOR có n cửa vào 1, 2, …, n. Hàm này thực hiện phép toán sau: Out = (In1 ) NOR (In2 ) NOR … NOR(Inn ) Có nghĩa là cửa ra chỉ được kích thích khi tất cả cửa vào không được kích thích. Để minh họa, ta xét hàm NOR có 2 cửa vào 1, 2. Bảng sự thật mô tả hoạt động cho hàm này như sau:

96

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

In1 không

In2 không

Out có

không có

có không

không không

có

có

không

5.1.6 Hàm có nhớ Xung điều khiển ở cửa thứ nhất sẽ duy trì tín hiệu ra cho đến khi xuất hiện xung điều khiển ở cửa thứ 2.

Hình 5.1d

Hàm có nhớ

5.1.7 Hàm có nhớ giới hạn Khi có xung điều khiển, cửa ra nhận tín hiệu của cửa vào và chỉ duy trì trong 1 khoảng thời gian xác định. Impulse In

limited memory

Hình 5.1e

Out

Hàm có nhớ giới hạn

5.1.8 Hàm có nhớ vô hạn Tín hiệu ra được điều khiển bởi 2 cửa xung, khi có tín hiệu xung điều khiển ở cửa thứ nhất thì cửa ra nhận tín hiệu của cửa vào và duy trì cho đến khi có xung ở cửa thứ hai. Impulse 1 In

unlimited memory

Out

Impulse 2

Hình 5.1f

97

Hàm có nhớ vô hạn

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5.2

Số nhị phân Để biểu diển số thập phân, người ta dùng 10 chữ số gồm 0, 1, 2, …, 9 và cơ số 10. Chẳng hạn số thập phân 234 có thể viết như sau: 23410 = 2. 102 + 3. 101 + 4. 100 Còn số nhị phân được biểu diễn bởi 2 chữ số 0, 1 và dùng cơ số 2. Ví dụ số nhị phân 1011 được viết như sau: 10112 = 1. 23 + 0. 22 + 1. 21 + 1. 20 = 8 + 0 + 2 + 1 = 1110 Như vậy, số nhị phân 1011 bằng số thập phân 11. Sau đây là các số nhị phân tương ứng với các số thập phân từ 0 đến 15: Số thập phân 0 1 2 3

Số nhị phân 0000 0001 0010 0011

Số thập phân 8 9 10 11

Số nhị phân 1000 1001 1010 1011

4

0100

12

1100

5

0101

13

1101

6 7

0110 0111

14 15

1110 1111

Trong hệ thống điều khiển khí, chỉ có 2 trạng thái có thể có của van và 2 vị trí có thể có của xy-lanh. Vì vậy, tất cả các trạng thái của phần tử khí có thể biểu diễn bởi mã nhị phân; trong đó, 0 biểu diễn trạng thái OFF và 1 biểu diễn trạng thái ON của van hoặc tiếp điểm. Việc dùng số nhị phân mô tả mạch khí cho phép tối giản mạch khí và đơn giản hóa công việc thiết kế. 5.3

Đại số Boole Đại số Boole là các phép tính dựa trên 2 chữ số 0 và 1. Đại số Boole chỉ liên quan đến 2 trạng thái có thể có của tín hiệu: “đúng” hoặc “sai”, “ON” hoặc “OFF”, “1” hoặc “0”, “vào” hoặc “ra”, …

5.4

Các phần tử logic khí và ứng dụng của đại số Boole Như đã đề cập ở trên, mỗi phần tử khí là một phần tử logic thực hiện các hàm logic khác nhau như AND, OR, NOT, NOR, NAND, hàm có nhớ, … Để thuận tiện cho việc áp dụng đại số Boole vào hệ thống khí, chúng ta đưa ra một số ký hiệu sau:

98

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

-

Tín hiệu vào hoặc ra được biểu thị bằng chữ cái hoặc giá trị số. Khi biểu diễn bằng giá trị số có nghĩa là giá trị của nó không thay đổi. OR có thể biểu diễn bởi (+) hoặc  hoặc V. AND có thể biểu diễn bởi dấu () hoặc  hoặc . Gạch ngang trên đầu các chữ cái biểu thị trạng thái đảo.

Sau đây là một số hàm logic đại số Boole thông dụng: NOT

̅=Y A

OR

A+B=Y

hay

A∨B=Y

NOR

̅∙B ̅ =Y A

hay

̅∧B ̅=Y A

AND

A∙B = Y

hay

A∧B=Y

NAND

̅+B ̅=Y A

hay

̅∨B ̅=Y A

Các hàm logic và bảng sự thật được cho ở bảng sau: Thuật ngữ logic và ký hiệu 1. YES A

2. NOT A

3. AND A B C

Y

Y

Y

Hàm logic A=Y ̅=Y ̅ A

̅ A=Y ̅=Y A

A∙B∙C=Y ̅+B ̅ + C̅ = Y ̅ A

Bảng sự thật A 1 0

Y 1 0

A 1 0

Y 0 1

A 1 1 1 0

B 1 1 0 0

C 1 0 1 1

Ký hiệu khí nén Y A Y A

Y 1 0 0 0

Y A

B

C

99

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Thuật ngữ logic và ký hiệu 4. OR A B C

Hàm logic A+B+C=Y ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅ A+B+C=Y

Y

Bảng sự thật

Ký hiệu khí nén

A 1 0 0 0 1

Y

B 0 1 0 0 1

C 0 0 1 0 1

Y 1 1 1 0 1

A

B

C

5. NOR A B C

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ A+B+C=Y ̅ A+B+C=Y

Y

(Tất cả tín hiệu vào phải mất thì mới có tín hiệu ra)

A 0 1 0 0 1

B 0 0 1 0 1

C 0 0 0 1 1

Y 1 0 0 0 0

Y A

B

C

6. NAND A B C

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ A∙B∙C=Y ̅+B ̅ + C̅ = Y A ̅ A∙B∙C=Y

Y

(Tất cả tín hiệu vào phải có thì mới mất tín hiệu ra)

7. MEMORY (a) A B

(b) A B

100

B 1 1 0 1 0 0

C 1 1 1 0 0 0

Y 0 1 1 1 1 A 1

̅=Y A∙B ̅∙B = Z A

A B Y Z 1 0 1 0 0 1 0 1

̅=Y A∙B Z=B

A 1 0 1

Y Z

Y Z

A 1 0 1 1 1 0

B 0 1 1

Y 1 0 0

Z 0 1 1

Y

B

Y A

Z B

a) Bi-state flip-flop, no priority. b) Bi-state flip-flop in which the state remains unchanged if both signals are applied.

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Thuật ngữ logic và ký hiệu (c) A B

Y Z

8. Hàm logic ứng dụng

Hàm logic

Bảng sự thật

̅=Y A∙B ̅∙B=Y A

A 1 0 1

B 0 1 1

Y 1 0 0

Z 0 1 0

Ký hiệu khí nén c) Bi-state flip-flop where no output is obtained if both inputs are applied.

̅=Y (a) A ∙ B

Y A

B (b) S1 ∙ A ∙ S2 +S1 ∙ B = Y or S1 (A ∙ S2 + B) =Y

A

S2

S1 Y B

(c) [A + B] ∙ ̅+B ̅] = Y ̅ [A

Y B

A

Định lý De Morgan Định lý De Morgan phát biểu như sau: Nếu A và B là 2 tập hợp con của tập S, thì: (A ∪ B)S = AS ∩ BS Và (A ∩ B)S = AS ∪ BS Nếu A và B là 2 biến logic thì theo định luật De Morgan, ta có: ̅̅̅̅̅̅ ̅+B ̅ A∙B = A 101

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

̅̅̅̅̅̅̅ ̅∙B ̅ A+B=A 5.5

Một số ví dụ về phương trình điều khiển Ví dụ 1: Một hệ thống đưa nguyên liệu vào máy dập có thể hoạt động bằng tay hoặc tự động với các điều kiện đầu như sau: 1. Vật cần nén phải vào đúng vị trí. 2. Vật đó phải được kẹp lại. 3. Không có bộ phận nào của cơ thể người vận hành nằm trong phạm vi làm việc của máy. Gọi: A1 là công tắc hoạt động tay; A2 là công tắc hoạt động tự động; B1 là cảm biến vị trí đặt của vật; B2 là cảm biến kẹp; C là tay người vận hành; Y là tín hiệu ra. Từ điều kiện đầu ta có phương trình sau: (A1 + A2 ) ∙ B1 ∙ B2 ∙ C̅ = Y Áp dụng định luật De Morgan, ta có: ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅1 ∙ A ̅2 + B ̿=A ̅1 + B ̅2 + C Y Hoặc: ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ̅1 ∙ A ̅ 2 ∙ B1 ∙ B2 ∙ C̅ Y=A Đây là phương trình logic AND thuần túy. Ta có mạch được thiết kế với cổng AND 4 đầu vào như hình vẽ 5.2a và sơ đồ mạch khí tương ứng như hình vẽ 5.2b. A1 A2

Y

B1 B2 C

Hình 5.2a

102

Sơ đồ điều khiển logic

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A1 + A2

B1·B2

B1

B2

A1

A2

C

Sơ đồ mạch khí điều khiển

Hình 5.2b

Ví dụ 2: Một xy-lanh tác động đơn được điều khiển hành trình ra từ 1 trong 2 vị trí A, B khác nhau. Hãy thiết kế mạch điều khiển theo yêu cầu. Gọi: Y là tín hiệu ra tới van điều khiển xy-lanh; A, B là hai van điều khiển hướng; Từ điều kiện đầu ta có phương trình sau: ̅∙B+A∙B ̅=Y A Sơ đồ logic và sơ đồ khí như hình 5.3a và 5.3b. A Y B

Hình 5.3a

103

Sơ đồ điều khiển logic

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Y

A

B

A

B

Hình 5.3b 5.6

B

A

Sơ đồ mạch khí điều khiển

Sử dụng bảng Karnaugh-Veitch để thiết kế mạch khí

Biểu đồ Venn Biểu đồ này chỉ ra cách biểu diễn tín hiệu khí bằng các số nhị phân và cách sử dụng đại số Boole cũng như định luật De Morgan để giải thích một cách đơn giản các mạch khí khác nhau trong phương trình logic. Trong đại số tập hợp, các tập tín hiệu khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng đồ thị để chỉ mối quan hệ ẩn giữa chúng, và từ đó rút ra phương trình logic. Biểu đồ chỉ ra mối liên hệ giữa các tập tín hiệu được phát triển bởi nhà logic học người Anh John Venn (1834-1883), và được đặt theo tên của ông. Biểu đồ Venn biểu diễn mối quan hệ cơ bản giữa các phần tử hoặc giữa các tập hợp con của một tập hợp. Một tập không gian thường được đại diện bởi một hình chữ nhật và những tập con của nó được biểu diễn bởi những vòng tròn bên trong nó (hình 5.4a). Nếu A là 1 tập hợp con của không gian S thì vòng tròn được vẽ bên trong hình chữ nhật ̅, có đại diện cho tập hợp con A và khu vực bên ngoài vòng tròn A đại diện cho tập A nghĩa là NOT A. Nếu 2 tập hợp con trong một tập hợp không giao nhau thì chúng được vẽ cách biệt (hình 5.3b); nhưng nếu chúng giao nhau thì hợp và giao của chúng được biểu diễn bằng phần gạch chéo (hình 5.3c, d). 104

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A

A

A

(a)

A

B

(b)

B

A

B

(d)

(c)

A B

C

(e) Hình 5.4 a - Biểu đồ biểu diễn tập không gian b - Hai tập hợp A và B không giao nhau c - Hợp của A và B: Y = A + B d - Giao Hợp của A và B: Y = A ∙ B e - Hàm OR: Y = A + B + C Mặc dù biểu đồ Venn đóng vai trò quan trọng trong đại số tập hợp, tuy nhiên trong các bài toán thực tế thì việc sử dụng biểu đồ này không hiệu quả. 5.6.1 Biểu đồ Karnaugh-Veitch Biểu đồ Karnaugh-Veitch (K-V) được sử dụng rộng rãi để đơn giản hóa các bài toán điều khiển phức tạp. Ngược lại với biểu đồ Venn chỉ biểu diễn biểu đồ các biến điều khiển và tạo ra phương trình đại số dưới dạng đại số Boole, biểu đồ K-V đưa ra một cách tốt hơn và đơn giản hơn về trạng thái và các mối quan hệ giữa các tín hiệu điều khiển. Veitch đưa ra biểu đồ biểu diễn và Karnaugh phát triển lý thuyết dựa trên cơ sở đó. Những biểu đồ K-V này có thể bao gồm một lượng rất lớn các biến điều khiển dưới dạng đại số và logic nhị phân. Từ biểu đồ này, thiết lập các phương trình sau đó dùng biểu đồ tối thiểu hóa chúng dựa vào các luật cơ bản của đại số tập hợp để sau cùng thu được phương trình điều khiển ở dạng đơn giản nhất.

105

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Ưu điểm lớn nhất của biểu đồ K-V là ở chỗ chúng có khả năng chuyển các biến dưới dạng toán logic YES/NO vào một bảng gồm nhiều ô và trong mỗi ô đánh dấu sự có mặt hay không có mặt của biến. ̅, có thể dùng số Hình minh họa biểu đồ K-V cho một biến điều khiển A, gồm 2 ô A và A ̅. “1” để biểu diễn trạng thái A và “0” để biểu diễn trạng thái A

A

A

A

A

Biểu đồ K-V cho hàm 1 biến

Hình 5.5a

Hình 5.5b biểu diễn cho hàm 2 biến A và B gồm 22 = 4 ô. Hình 5.5c chỉ cách chuyển các giá trị trong bảng sự thật (hình 5.5d) vào biểu đồ K-V. Phương trình điều khiển được tạo ra bởi các ô có giá trị là “1”.

A B

B A·B A·B

A 0

0

1

0

2

Row no. 2

Row no. 0 A·B A·B

1

1

3 Row no. 3

Row

A

B

Y

0

0

0

0

1

0

1

1

2

1

0

1

3

1

1

1

Row no. 1 (b)

(c)

(d)

Hình 5.5 b-Biểu đồ K-V cho hàm 2 biến c - Bảng sự thật trong bảng K-V d - Bảng sự thật cho hàm 2 biến Và theo biểu đồ, ta có: ̅∙B+A∙B ̅+A Y=A∙B Phương trình này có thể được đơn giản bằng cách sử dụng các quy tắc đại số Boole. ̅∙B =A+A ̅∙B=A+B ̅ + B) + A Y = A ∙ (B Từ phương trình điều khiển, ta lựa chọn các phần tử khí thích hợp để thiết kế mạch khí. Để vẽ biểu đồ K-V cho hàm ba biến A, B và C, cần 23 = 8 ô (hình 5.5e). Biểu đồ K-V và phương trình được thiết lập (hình 5.5f) và được đơn giản hóa như sau:

106

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

̅ ∙ B ∙ C̅ + A ̅ ∙ B ∙ C + A ∙ B ∙ C̅ + A ∙ B ∙ C Y=A ̅ + A) ∙ B ∙ C̅ + (A ̅ + A) ∙ B ∙ C = (A = B ∙ C̅ + B ∙ C =B

AB C A·B·C A·B·C A·B·C A·B·C A·B·C A·B·C A·B·C A·B·C (e) AB

Row

A

B

C

Y

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

2

1

1

0

1

3

1

0

0

0

00

01

11

10

4

0

0

1

0

0

0

1

1

0

5

0

1

1

1

1

0

1

1

0

6

1

1

1

1

7

1

0

1

0

C

Y = A·B·C

Y = A·B·C

Y = A·B·C

Y = A·B·C

(f)

(g) Hình 5.5 e - Biểu đồ K-V cho hàm 3 biến f - Bảng sự thật cho hàm 3 biến g -Phương trình Boole trong bảng K-V 5.6.2 Thiết kế mạch khí với biểu đồ K-V Để sử dụng được kỹ thuật biểu đồ K-V trong thiết kế mạch, chúng ta phải biết cách sử dụng sơ đồ bước vị trí như trên hình 5.6. Hai xy-lanh A và B được điều khiển theo chuỗi để kẹp và dập một vật thể. Nhiệm vụ của van điều khiển xung và van điều khiển ngắt là điều khiển xy-lanh theo hướng chuyển động mong muốn được thiết kế dưới mỗi bước của sơ đồ bước vị trí.

107

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

a1

1

2

3

4

5

A ao b1

(a)

B bo A1

B1

Bo

Ao

ao

a1

a1

a1

bo

bo

b1

bo

ao

A1

a1

B1

bo Ao (b) a1

Bo

b1 ao

A1 A1

(c)

B1 Hình 5.6 a - Sơ đồ bước vị trí của các xy-lanh b - Biểu đồ hướng và dòng tín hiệu c - Đường biểu diễn lưu lượng và hướng tín hiệu Hình 5.6a mô tả việc chuyển từ sơ đồ bước vị trí sang biểu đồ K-V: A là xy-lanh kẹp, B là xy-lanh dập, A1 và B1 trạng thái van xung tương ứng với các xy-lanh A và B thực hiện hành trình ra; Ao và Bo trạng thái van xung tương ứng với các xy-lanh A và B thực hiện hành trình vào; a1 , ao , b1 , bo là các van ngắt. Biểu đồ K-V trong đó hàng chỉ thị trạng thái điều kiện của các van ngắt (a1 , ao , b1 , bo ) ̅). Số cột phụ thuộc vào số dòng tín và cột đại diện cho những cửa ra của van phụ (X, X hiệu và số hàng phụ thuộc vào số xy-lanh. Với n là số xy-lanh thì số hàng là 2n . Sơ đồ dòng và hướng tín hiệu được vẽ trên biểu đồ K-V như hình vẽ 5.7 bằng cách dịch chuyển tổ hợp của các van ngắt vào mỗi ô vuông của biểu đồ K-V. Ô vuông này đại diện cho trạng thái của các van xung, A1 (ao , bo ), B1 (a1 , bo ), Ao (a1 , bo ), … Trong mỗi ô chỉ biểu diễn 1 trạng thái. Nếu số trạng thái xảy ra lớn hơn 1 (như B1 và Ao trong hình 108

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5.6) thì phải thiết kế ô nhớ mới và trong 1 trong 2 trạng thái đó sẽ được chuyển tới một cột mới đại diện cho van nhớ phụ. Van nhớ phụ này là cần thiết để tác động lên sự thay đổi của vị trí xy-lanh từ vị trí dịch chuyển ra đến dịch chuyển vào và ngược lại vì các trạng thái giống nhau này có hướng tác động khác nhau, chẳng hạn B1 là cuối hành trình ra của A và đầu hành trình vào của B nhưng Ao là đầu hành trình vào của A và cuối hành trình vào của B. X ao bo a1 a1

X

A1

Xo

B1

Ao

X1

Bo

b1 ao

Hình 5.7

Biểu đồ K-V với hướng và dòng tín hiệu

Trong hình 5.7, X là van chuyển nhóm phụ hay còn gọi là van lựa chọn nhóm. Đây là một van xung điều khiển cắt đường năng lượng tới các van ngắt trong 1 nhóm và cung cấp năng lượng cho nhóm khác. Điều này là cần thiết để thay đổi các tín hiệu từ B1 đến ̅ trong đó X1 và Bo và Ao đến A1 . Van này được thiết kế với 2 trạng thái của nó là X và X X o được sử dụng để chỉ thị vị trí ô của nó trong sơ đồ giữa B1 và Bo (X1 ) và Ao và A1 (X o ). Những van ngắt được thiết kế với ao , a1 , bo , b1 , co , c1 , … Trạng thái của xy-lanh được đại diện bởi Ao , A1 , Bo , B1 , Co , C1 , … Trong đó, số “1” ứng với hành trình ra của xy-lanh và số “0” ứng với hành trình vào của xy-lanh. Từ biểu đồ K-V, ta rút ra phương trình logic như sau: ̅ A1 = bo ao X ̅ B1 = bo a1 X X1 = b1 a1 ̅ X Bo = b1 a1 X Ao = bo a1 X X o = bo ao X Để tối thiểu hóa phương trình logic trên, phải vẽ các biểu đồ K-V riêng cho mỗi trạng thái nhớ, tức là với A1 , Ao , B1 , Bo , X1 , X o , … Chẳng hạn với van điều khiển hướng của A, sự hiện diện của A1 và Ao được vẽ trên hình 5.8, những dòng và hướng tín hiệu của nó được đánh dấu rõ tới vị trí A1 sau đó chúng triệt tiêu để cho phép tín hiệu điều khiển từ Ao . Những vị trí chuỗi tín hiệu được chỉ thị trong các ô bằng những chấm tròn nhỏ. Để phân tách rõ các tín hiệu của A1 khỏi 109

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Ao , chúng ta có thể tô đậm các chấm nhỏ này (hình 5.6). Điều này được thực hiện với mỗi trạng thái của mỗi van điều khiển hướng có nhớ (A1 được nhớ cho đến khi Ao tác động và ngược lại). Tất cả những chấm tròn cho một trạng thái riêng biệt của van điều khiển xy-lanh được khoanh bởi một vòng đối xứng gồm cả những ô không xác định để thỏa mãn sao cho số ô được khoanh là lũy thừa của 2 (chẳng hạn vòng khoanh của trạng thái A1 bao gồm các ô mà A1 còn giữ trạng thái và cả ô không xác định là b1 ao ). X ao

X

A1

bo

Ao

a1

A1

Ao

-bo.ao.X

-bo.ao.X

-bo.a1.X

-bo.a1.X

a1

-b1.a1.X

ao

-b1.ao.X

b1 A1 = X

(a)

A1

Ao = bo.X

Ao

(b)

Biểu đồ K-V cho A1 và Ao

Hình 5.8

Biểu đồ K-V với A1 và Ao được vẽ trên hình 5.8. Phương trình logic của chúng là: ̅,Ao = bo X. A1 = X Thực hiện tương tự với B1 và Bo , X1 và X o như trên hình 5.9, ta được kết quả: ̅ ,Bo = X,X1 = b1 ,X o = ao B1 = a1 X Khi vẽ biểu đồ K-V cần chú ý rằng: -

Phải chọn những vòng đối xứng, nếu cần có thể sử dụng cả những ô không xác định. Vòng càng lớn thì càng tốt vì phương trình thu được càng đơn giản.

Từ các phương trình ở trên, ta thấy rằng xy-lanh A có thể hoạt động khi nhận tín hiệu ở ̅. Đây chưa phải là phương hướng tốt vì sau đó những thao tác chu kỳ A1 trực tiếp từ X đơn tiếp theo khó thực hiện được. Do đó, để tránh điều này thì tín hiệu khí nên qua một van khởi động là van điều khiển hướng 3/2. Khi nhấn nút khởi động thì tín hiệu tác ̅. Lúc này, phương trình sẽ là: động tới A1 từ X ̅ A1 = d1 X 110

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Sơ đồ mạch khí được vẽ trên hình 5.10. Đây là kiểu sơ đồ nối tiếp với áp suất cắt đưa tới các van ngắt được lấy qua một van phụ là phần tử cắt tín hiệu trong hệ thống. Tín hiệu khởi động hệ thống được tạo ra bởi van điều khiển tay 3/2 (là van khởi động d1 ). X

X

ao bo a1

B1

B1

Bo

-bo.a1.X

-bo.ao.X

-b1.a1.X

-bo.a1.X -b1.a1.X

Bo

a1

-b1.ao.X

b1 ao

B1 = bo.X

Bo = X

X1

Xo

-b1.a1.X

-bo.ao.X

-b1.ao.X

-bo.ao.X

-b1.a1.X

-b1.ao.X

-b1.ao.X

-b1.ao.X

X1 = b1

Xo = ao

(a) X

X Xo

ao bo a1 a1

X1

b1 ao (b) X1

Xo

(c)

Hình 5.9

Biểu đồ K-V cho van có nhớ điều khiển B và van chọn X (a) và mạch khí đơn giản (b)

Mạch khí điều khiển được thực hiện như sau:

111

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 5.10 5.7

Mạch điều khiển chuỗi A + B + B − A −

Một số bài toán điều khiển đơn giản

Bài toán 1 Một phôi được kẹp trên bàn tiện nhờ 1 xy-lanh khí và được dịch chuyển nhờ 1 xy-lanh thủy khí được mô tả như trên sơ đồ bước vị trí ở hình 5.10. Hãy thiết kế mạch khí điều khiển cho bài toán trên.

112

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Clamping

Cutter (Milling) a+

1

2

3

4

5

6

7

A ab+ B bFeeding (a)

(b)

Hình 5.10 a - Mô tả xy-lanh b - Sơ đồ bước vị trí Hướng dẫn: Cyl. A

Cyl. B

B-

B+

F=0

1 .3

4

2

1

3

1

12

2 .2

2 .4

4

2

1

3

3

2

1 .1

1 .2

2

2

2 .1

B-

2

2 .3

1

3

B+ 2

START 1

Bài toán 2

Bài toán 3

113

3

1

3

1

3

4

2

1

3

0 .1

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 6 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TRONG MẠCH KHÍ

Mục đích, yêu cầu: Cung cấp cho sinh viên khiến thức chung về hoạt động, cấu tạo các phần tử điện dùng để điều khiển trong mạch khí. Các mạch điều khiển điện khí. (1.1.3) 6.1

Khái quát chung Chúng ta biết rằng việc điều khiển 1 xi-lanh khí có thể thực hiện bằng các van tay, cơ khí, khí và điện, …Trong đó, điều khiển bằng điện là tối ưu nhất, và dòng điện dễ điều khiển hơn. Điều này cho thấy điện năng đóng vai trò quan trọng trong vấn đề điều khiển 1 hệ thống khí. Dòng điện được điều khiển bằng các công tắc sau đó điều khiển van khí. Những van được điều khiển bằng điện thì được gọi là van điện từ. Van điện từ là loại van kết hợp ưu điểm của 2 dạng năng lượng: điện và khí vì thế những van này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển khí sử dụng điện như là phần tử trung gian được gọi là hệ thống điện khí (electropneumatic system). Những công tắc áp lực, công tắc giới hạn, và các dạng rơ-le khác nhau, … cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện khí. Chúng tác động nhanh và chính xác, tuổi thọ cao, ít bảo dưỡng và tiêu thụ ít năng lượng. Nói chung không chỉ van điều khiển hướng được điều khiển bằng điện mà các loại van khác cũng có thể điều khiển bằng điện nếu cần. Tuy nhiên, điều khiển điện trong hệ thống khí không nên sử dụng ở những nơi nguy hiểm dễ cháy, dễ nổ. Một hệ thống điện khí có thể bao gồm các phần tử thực hiện là khí còn phần tử điều khiển là điện. Phần điện cơ ở đây là các van điện từ, được điều khiển bằng nút ấn, rơ-le, contactor, ngắt hành trình, … Cũng có hệ thống điện khí mà cơ cấu thực hiện là điện còn phần tử điều khiển là khí hoặc kết hợp cả 2 loại. Một vài phần tử điện khí hoặc điện cơ được sử dụng trong điều khiển điện khí. Trong một mạch điện khí nói chung gồm có các van điều khiển hướng điện từ, các ngắt hành trình, các cảm biến áp suất. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc điều khiển không chỉ dừng lại ở lĩnh vực điện mà nó đang từng bước thay dần bằng các thiết bị lập trình, phần mềm(PLC, vi xử lý, …).Ưu điểm của nó có thể thay đổi qui luật điều khiển một cách dễ dàng, ít bảo dưỡng, tác động nhanh so với hệ thống điều khiển hoàntoàn bằng điện, cơ khí. Để thấy rõ điều này chúng ta lần lượt đi vào phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng các phần tử điều khiển này.

6.2

114

Van điện từ

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

6.2.1 Cơ cấu nam châm Van điều khiển hướng thường được tác động bởi nam châm điện. Nam châm điện là thiết bị bao gồm 1 cuộn dây dẫn điện bao quanh một lõi thép. Nó tạo ra lực hút khi có dòng điện chạy qua cuộn dây và lực hút sẽ mất khi dòng điện bị ngắt đi. 3. Phần ứng 1. Thân mạch từ

2. Cuộn dây

4. Khoảng hành trình

Hình 6.1

Nguyên lý cấu tạo nam châm điện trong van điện từ

6.2.2 Cấu tạo van điện từ Van điều khiển khí tác động bằng nam châm điện được gọi là van điện từ. Van điện từ là 1 phần tử cơ điện có thể chuyển đổi năng lượng điện thành cơ dưới dạng lực hoặc dạng chuyển động cơ khác. Đối tượng điều khiển của nó trong hệ thống điện khí là xylanh khí. Van điện từ phải thỏa mãn những yêu cầu sau: -

Tác động nhanh và dứt khoát, Tuổi thọ cao, Ít phải bảo dưỡng và sửa chữa, Hiệu suất cao.

Có 2 loại van điện từ: -

Loại 1 chiều và Loại xoay chiều.

Với van điện từ 1 chiều thì mạch từ và lõi động là 1 lõi thép đồng nhất, nhưng với van điện từ xoay chiều thì mạch từ và lõi động được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện nhằm tránh dòng xoáy đốt nóng mạch từ của van. Việc sử dụng van điện từ 1 chiều hay xoay chiều phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, van điện từ 1 chiều được sử dụng phổ biến hơn vì nó có lực hút dứt khoát và ổn định hơn cũng như đáp ứng thời gian tốt hơn. Hình 6.2 mô tả nguyên lý cấu tạo của 1 van điện từ đơn giản. Nó bao gồm các phần chính sau: lõi thép động 5 (còn gọi là phần ứng), cuộn dây 3, ti van chính 1, lò xo định 115

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

vị ti chính 6, lò xo phản kháng phần ứng nam châm 8, cơ cấu tác động bằng tay 7, jack cắm cho cuộn hút 4 và cơ cấu nối 2. Nguyên lý làm việc như sau: khi cho dòng điện qua cuộn dây 3, sẽ tạo ra một từ thông móc vòng qua mạch từ và lõi thép động 5, tạo ra lực điện từ tác động lên lõi thép động 5 và làm cho nó dịch chuyển theo hướng làm giảm từ trở của mạch từ, tức là làm cho lõi thép chuyển động về phía bên phải. Khi lõi thép chuyển động thì sẽ tác động lên ti chính 1 làm ti chính dịch chuyển sang trái và kết quả là cửa P nối với cửa A và cửa B nối với cửa T của van. Khi không cấp dòng điện cho cuộn hút 3 thì lúc này lực điện từ mất lò xo phản kháng 8 sẽ đẩy lõi thép động 5 dịch chuyển về phía bên trái và đồng thời lò xo 6 sẽ đẩy ti chính của van dịch chuyển về phía bên trái và kết quả là cửa P nối với của B và cửa A nối với cửa T của van.

4

1

2

6

3

7

AB

P T

5

8

Hình 6.2

A P B (T) Cấu tạo van điện từ 3/2

Hình 6.3 là một số dạng cuộn hút (coil) của van điện từ.

Hình 6.3 6.3

Cuộn hút van điện từ

Công tắc hành trình Công tắc hành trình là một thiết bị điện cơ dùng để cảm biến vị trí và trạng thái của các thiết bị khí trong hệ thống. Công tắc hành trình được tác động bởi các phần tử khi chúng đạt đến vị trí đặt trước của chúng. Cơ cấu tác động có nhiều dạng khác nhau, có thể là con trượt, cần lật, cẩn đẩy, đòn bẩy, … Về quan điểm điều khiển, tốc độ tác động chuyển mạch của ngắt hành trình là rất quan trọng. Nếu công tắc hành trình tác động chậm thì sẽ tạo ra hồ quang điện lớn. Các công tắc hành trình thường có 3 cực: 1 chung,

116

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1 thường đóng và 1 thường mở. Cũng có loại 4 cực: 2 cực của tiếp điểm thường đóng và thường mở tách biệt nhau. Hầu hết các công tắc hành trình là loại cần đẩy và có lò xo hồi, dùng với cấp điện áp 24V, dòng qua tiếp điểm khoảng cỡ 2A. Lực tác động lên cần đẩy thường trong khoảng 5 - 10N.

Hình 6.3 6.4

Công tắc hành trình

Công tắc và tiếp điểm Công tắc và tiếp điểm là thiết bị dùng để đóng ngắt van điện từ, yêu cầu phải có những đặc điểm sau: -

Tiếp xúc và dẫn điện tốt, thường làm bằng đồng thau, Có đế và vỏ cách điện tốt, Có cơ cấu tác động (nút nhấn, tay gạt chìa khóa, …) cách điện tốt để an toàn trong vận hành khai thác, Hoạt động tin cậy, an toàn, tuổi thọ cao, …

Công tắc cũng như tiếp điểm có các loại 1 cực, 2 cực, 3 cực và 4 cực. Trong hệ thống điện khí, công tắc dạng nút nhấn thường được dùng khi khởi động và dừng hệ thống và chỉ dùng để cung cấp cho các van điện từ công suất nhỏ.

Hình 6.3 6.5

Công tắc

Rơ-le điện từ Rơ-le là thiết bị điện từ được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều khiển tự động. Chúng tương đối nhỏ nhưng có khả năng điều khiển tải lớn và ở xa với hiệu suất và độ chính xác cao. Rơ-le gồm 1 nam châm điện lai một vài tiếp điểm và có thể điều khiển các tiếp điểm này đóng hoặc mở. Rơ-le có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như: dùng để chuyển mạch tín hiệu, khuếch đại tín hiệu, có khả năng nhớ trạng thái cũng như truyền hoặc đảo tín hiệu.

117

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Các tiếp điểm của rơ-le có thể là thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO). Ở trạng thái nghỉ của rơ-le, cuộn hút không được cấp điện thì các tiếp điểm thường mở mở ra, còn các tiếp điễm thường đóng thì đóng lại. Ngược lại, ở trạng thái làm việc, khi cuộn hút được cấp điện thì tiếp điểm thường mở đóng lại, còn tiếp điểm thường đóng mở ra.

(a) Hình 6.4

(b)

(c)

(a) Rơ-le + đế; (b) Ký hiệu rơ-le trên bản vẽ (c) Sơ đồ chân rơ-le

Ký hiệu trên bản vẽ một số thiết bị điện thường dùng trong mạch điện khí Symbol(s) DIN EN

Device(s)

NEMA ICS

Nút nhấn thường mở (NO) Nút nhấn thường đóng (NC) Nút nhấn kép (1 tiếp điểm thường đóng, 1 thường mở) Nút nhấn có chốt gài Công tắc hành trình (NO) Công tắc hành trình (NC) Proximity switch, NC Proximity switch, NO or or

118

Rơ-le áp lực thấp Rơ-le áp lực cao

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Symbol(s) DIN EN

Device(s)

NEMA ICS Cảm biến phao (NO) Cảm biến phao (NC)

6.6

Các phương thức chuyển mạch Các xy-lanh khí có thể được điều khiển bằng điện theo nhiều cách khác nhau. Hình 6.7 mô tả 1 xy-lanh tác động kép được điều khiển bởi 1 van điện từ 4/2. A

b1

b2

C (a)

C

S

S1

S2

R

R (b)

C

R (d) S

R

R

C

S

b2

R C

R (c) Hình 6.7

R

(e) Các phương thức chuyển mạch

Trong sơ đồ minh họa có 4 khả năng chuyển mạch: -

119

Chuyển mạch trực tiếp (hình 6.7b): van điện từ được điều khiển trực tiếp bởi nút nhấn S thông qua việc cung cấp điện cho cuộn hút C của van. Chuyển mạch gián tiếp (hình 6.7c): van điện từ được điều khiển gián tiếp thông qua tiếp điểm của rơ-le điều khiển R.

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

-

-

6.7

Chuyển mạch gián tiếp có nhớ (hình 6.7d): van điện từ được điều khiển gián tiếp thông qua tiếp điểm của rơ-le điều khiển R. Chức năng của R mắc song song với S là để nhớ trạng thái tác động của nút nhấn S1 . Chuyển mạch gián tiếp có nhớ (hình 6.7e) và trở về tự động thông qua tiếp điểm ngắt hành trình.

Mạch điện khí Van điều khiển điện từ có thể là van 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, … Bộ phận cơ khí của các van này không khác gì mấy so với các van khí thông thường ngoại trừ một số loại có bộ phận cơ khí đặc biệt để dễ dàng lắp ráp ở một số nơi có yêu cầu riêng. Phụ thuộc vào số lượng van điện từ sử dụng mà chúng có thể là van điện từ đơn, van điện từ kép hoặc van điện từ có lò xo hồi, … Chức năng của chúng tương tự các van khí trong mạch khí. Một số thiết bị khí cần được sử dụng như van điều chỉnh lưu lượng, bộ giảm áp, … kết hợp với van điện từ.

6.8

Các ví dụ về sơ đồ điện khí đơn giản Bài 1: Điều khiển một xy-lanh tác động đơn dùng van điện từ có lò xo hồi. A

+24V b1

a S1

S1 0 (a)

(b)

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện Bài 2: Điều khiển xy-lanh tác động kép bằng van điện từ 4/2 có lò xo hồi. Sơ đồ mạch như hình 6.8b A

+24V b1 S1

S1

0 (a)

120

(b)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện Bài 3: Điều khiển xy-lanh tác động kép dùng van điện từ kép. A

S1

S2

+24V b1

b2

S1

bs

S2

0 (a)

(b)

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện Bài 4: Điều khiển xy-lanh tác động kép với van điện từ có lò xo hồi. Thiết kế mạch điều khiển có nhớ. A

+24V b1

S1

R1

b2

R1

R2 bs

R1

R2

S2

0 (a)

(b)

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện Bài 5: Một xy-lanh tác động kép thực hiện hành trình ra nhờ van điện từ, hành trình vào được thực hiện sau một thời gian trễ.

121

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

b2

A

+24V b1 S1

S2

S1

b2

RT

RT

S2

0 (a)

(b)

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động kép a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện Bài 6: Một chuỗi 2 xy-lanh tác động làm việc theo biểu đồ bước như hình vẽ. Hãy thiết kế mạch điều khiển điện khí theo yêu cầu.

1

1

2

3

4

5

6

7

A 0 1 B 0 (a) b1

b2

b3

A

B

S1

S2

S3

S4

(b)

+24V b1

b4

b2

b1

S2

S3

S4

b3 S1 0 (c)

122

b4

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Sơ đồ bước vị trí của chuỗi; b-Mạch khí nén động lực; c-Mạch điều khiển điện Bài 7: Để tháo bu-lông và đai ốc, cần thiết kế một hệ thống khí gồm xy-lanh giữ, xylanh cấp và xy-lanh chuyển. Việc vặn ốc được thực hiện bởi một thiết bị vặn ốc khí nối với mạch. Yêu cầu mạch hoạt động ở 2 chế độ tay và tự động. Thiết kế mạch điện và khí điều khiển cho hệ thống trên.

Các thiết bị được sử dụng gồm:          

b1 là nút nhấn dừng sự cố b2 là chuyển mạch chọn chế độ hoạt động cho hệ thống b3 điều khiển kẹp b4 , b5 điều khiển kẹp bằng tay b6 , b7 điều khiển vận chuyển tự động b8 điều khiển khối cung cấp tự động b9 , b10 điều khiển khối cung cấp bằng tay b11 , b12 điều khiển vận chuyển bằng tay b13 , b14 điều khiển thiết bị vặn ốc bằng tay b15 điều khiển thiết bị vặn ốc tự động

Hình 6.8 Điều kiển xy-lanh tác động đơn a-Mạch khí nén động lực; b-Mạch điều khiển điện

123

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 7 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KHÍ

Mục đích, yêu cầu: Cung cấp cho sinh viên cấu trúc, hoạt động của các bộ điều khiển khí. (1,5.0.2) 7.1

Hệ thống áp suất

7.1.1 Sức cản (R) Nhiều quá trình công nghiệp và bộ điều khiển khí liên quan đến lưu lượng khí đi qua ống và áp suất trong bình. Xét hệ thống trên hình 7.1 (a), lưu lượng khí qua bộ giới hạn là một hàm của áp suất chênh lệch pi − po . Những hệ thống như thế có thể được đặc trưng bởi 2 thông số là sức cản và dung tích. Sức cản lưu lượng khí có thể xác định như sau: R=

d(∆P) [N⁄m2 ]⁄[kg⁄s] (7.1) dq

Trong đó: d(∆P) - Sự thay đổi áp suất chênh lệch ∆P, dq - Sự thay đổi lưu lượng q.

DP Sức cản R

Độ dốc = R

P + pi

d(DP)

P + po

q Dung tích C (a)

dq 0

q (b)

Hình 7.1 (a) Sơ đồ một hệ thống khí (b) Quan hệ giữa áp suất chênh lệch và lưu lượng Việc tính toán giá trị R rất mất thời gian, tuy nhiên chúng ta có thể tính toán dễ dàng từ đồ thị trên hình 7.1(b). 124

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

7.1.2 Dung tích(C) Dung tích của bình áp lực có thể được xác định bằng tốc độ thay đổi lượng khí lưu trữ chia cho sự thay đổi áp suất: C= Trong đó: C m p V 

dm d = V [kg]/[N⁄m2 ](7.2) dp dp

- dung tích bình áp lực, kg. N⁄m2 - khối lượng khí trong bình, kg - áp suất khí, N⁄m2 - thể tích bình chứa, m3 - mật độ khí, kg⁄m3

Dung tích của hệ thống áp suất phụ thuộc vào kiểu của quá trình giãn nở liên quan. Dung tích có thể được tính bằng cách sử dụng định luật khí lý tưởng. Nếu quá trình giãn nở của khí là đa hướng và sự biến đổi trạng thái của khí giữa đẳng nhiệt và đoạn nhiệt thì ta có biểu thức quan hệ giữa các đại lượng như sau: pv  = hằng số(7.3) Với v là thể tích riêng được xác định bằng biểu thức: v=

V 1 = (7.4) m 

Hay: V  1  p ( ) = p ( ) = hằng số m 

(7.5)

Trong đó: - là số mũ đa hướng dương. Với khí lý tưởng: ̅ T hay pv = R ̅ pv̅ = R Trong đó: p v̅ ̅ R T v M o R

- là áp suất tuyệt đối, N⁄m2 - là thể tích mà 1 phân tử gam (mole) khí chiếm chỗ, m3 ⁄kg mole - là hằng số không gian khí, N. m⁄kg . mole oR - nhiệt độ tuyệt đối, oR - thể tích riêng của khí, m3 ⁄kg - phân tử lượng của khí, kg⁄kg mole - độ Rankine, 1 ( oR) = 460,67( oF)

Từ phương trình (7.4) và (7.6) ta có:

125

T (7.6) M

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

pv = Trong đó: R khí

̅T p R = = R khí T  M

(7.7)

- là hằng số khí, N. m⁄kg oR

Số mũ đa hướng là 1 cho quá trình giãn nở đẳng nhiệt. Với quá trình giãn nở đoạn nhiệt thì  bằng tỷ số nhiệt riêng cp ⁄cv , trong đó cp - là nhiệt riêng đẳng áp còn cv - là nhiệt riêng đẳng tích. Trong nhiều trường hợp thực tế, giá trị  xấp xỉ hằng số và như thế dung tích có thể được coi là hằng số. Từ phương trình (7.5), (7.7) ta có: d 1 (7.8) = dp n. R khí . T Khi đó, C=

V (7.9) n. R khí . T

Dung tích của mỗi bình cho trước là hằng số nếu nhiệt độ không thay đổi. Trong thực tế, số mũ đa hướng  xấp xỉ 1.0 ÷ 1.2 với khí được chứa trong bình kim loại không cách ly. 7.1.3 Hệ thống áp suất Xét hệ thống trên hình 7.1(a). Nếu chúng ta giả sử rằng chỉ có một sự thay đổi nhỏ của các biến xung quanh giá trị ổn định của chúng thì hệ thống có thể coi là tuyến tính. Ta gọi: ̅ P - là áp suất khí trong bình ở trạng thái ổn định (trước khi xảy ra sự thay đổi áp suất), N⁄m2 pi - sự thay đổi nhỏ của áp suất khí vào, N⁄m2 po - sự thay đổi nhỏ của áp suất khí ra, N⁄m2 V - thể tích bình, m3 m - khối lượng khí trong bình, kg q - lưu lượng khí, kg⁄s  - mật độ khí, kg⁄m3 Với những giá trị nhỏ của pi và po , sức cản R ở phương trình (7.1) trở thành hằng số sau: R=

126

pi − po q

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Áp suất thay đổi dpo nhân với dung tích C sẽ bằng lượng khí thêm vào bình trong thời gian dt, ta có: C. dpo = q. dt ⟹ C.

dpo pi − po = dt R

⟹ RC.

dpo = pi − po dt

Biến đổi Laplace: RCs. Po (s) = Pi (s) − Po (s) ⟹

Po (s) 1 = Pi (s) RCs + 1

Trong đó: RC- là hằng số thời gian của hệ thống. 7.2

Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn Sơ đồ bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn được vẽ trên hình 8.1. Áp suất nguồn khíPs cung cấp cho bộ khuếch đại này được giữ không đổi. Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn chuyển đổi một sự thay đổi nhỏ của vị trí bản chắn thành một sự thay đổi lớn của áp suất trong vòi phun. Vì thế, một công suất ra lớn được điều khiển bởi một công suất nhỏ tác động lên vị trí bản chắn. Trong hình 8.1a, khí nén được cấp qua một bộ giới hạn (orifice) và sau đó phun từ vòi phun qua bản chắn. Thường thì nguồn khí cung cấp cho bộ khuếch đại này có áp suất khoảng 1,4 kg/cm2 (20 psi); đường kính lỗ giới hạn khoảng 0,25 mm (0,01 in.) và đường kính vòi phun (nozzle) cỡ 0,4 mm (0,016 in.). Để đảm bảo chức năng khuếch đại thì đường kính vòi phun phải lớn hơn lỗ giới hạn. Điều khiển

Bộ giới hạn

Pb

Ps

x

Nguồn khí Ps Vòi phun Đến van điều khiển

Pa (a)

127

Bản chắn

0

x (b)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 7.2

Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn (a) Sơ đồ nguyên lý (b) Quan hệ giữa Pb và x

Về hoạt động của hệ thống này, bản chắn được định vị chính diện vòi phun, áp suất khí trong vòi phun phụ thuộc vào khoảng cách x giữa vòi phun - bản chắn. Bản chắn càng ở gần vòi phun thì áp suất khí trong vòi Pb càng cao. Nếu vòi phun bị chắn kín hoàn toàn bởi bản chắn thì áp suất khí trong vòi phun Pb bằng áp suất khí cung cấp Ps . Nếu bản chắn dịch chuyển ra xa vòi phun sao cho khoảng cách vòi phun - bản chắn đủ lớn (khoảng 0,25 mm) thì thực tế hầu như không có cản trở lưu lượng khí và áp suất trong vòi phun lấy giá trị min., giá trị này phụ thuộc vào thiết bị, và đạt giá trị thấp nhất bằng áp suất môi trường Pa . Chú ý rằng, vì khí tác động lên bản chắn nên vòi phun có đường kính càng nhỏ càng tốt. Đường cong điển hình mô tả mối quan hệ giữa áp suất trong vòi phun và khoảng cách vòi phun - bản chắn x như hình vẽ 8.1b; đoạn dốc tuyến tính chính là đoạn làm việc của bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn. Tuy nhiên, vì khoảng cách x rất nhỏ cho nên sự thay đổi áp suất trong vòi phun cũng nhỏ trừ khi đường cong rất dốc. Bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn chuyển tín hiệu khoảng cách thành tín hiệu áp suất, trong những hệ thống điều khiển công nghiệp yêu cầu công suất ra lớn thì bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn không đáp ứng đủ yêu cầu mà phải dùng thêm một rơ-le khí như một bộ khuếch đại công suất nối với bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn. 7.3

Rơ-le khí Trong các bộ điều khiển khí công nghiệp thì bộ khuếch đại vòi phun - bản chắn được sử dụng như một bộ tiền khuếch đại và rơ-le khí như một bộ khuếch đại thứ 2 và rơ-le khí có khả năng điều khiển được lưu lượng khí lớn. Sơ đồ rơ-le khí được mô tả như hình 8.2. Khi áp suất từ vòi phun Pb tăng, màng van dịch chuyển xuống, độ mở đường khí thoát ra không khí giảm, còn độ mở của đường khí đến van khí tăng, tức là Pc tăng. Khi màng van dịch chuyển xuống đóng kín đường thoát thì áp suất khí Pc bằng áp suất khí cung cấp Ps . Khi áp suất vòi phun Pb giảm thì màng van dịch chuyển lên, đóng nguồn khí cung cấp, khí điều khiển Pc vì thế có thể thay đổi từ 0 đến cực đại (1,4 kg/cm2). Tổng dịch chuyển màng van rất nhỏ.

128

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Áp suất hơi trong vòi phun Pb

Áp suất hơi trong vòi phun Pb

Khí thoát Đến van khí Pc Khí thoát Nguồn khí Ps

Đến van khí Pc (a)

Nguồn khí Ps (b)

Hình 7.3 Rơ-le khí: (a) Loại có đường thoát khí (b) Loại không có đường thoát khí Trong tất cả các vị trí của van, chỉ trừ trường hợp đóng kín nguồn khí cung cấp, một lượng khí liên tục thoát ra môi trường, thậm chí khi có những điều kiện cân bằng giữa áp suất trong vòi phun và áp suất điều khiển, vì thế rơ-le được vẽ trên hình 8.2a được gọi là rơ-le kiểu khí thoát (bleed-relay). Trên hình 8.2b vẽ rơ-le loại không thoát khí (nonbleed-relay). Trong loại này, chỉ xuất hiện khí thoát khi chưa đạt điều kiện cân bằng. Vì vậy, không có sự thất thoát khí nén trong chế độ hoạt động ổn định. Tuy nhiên, chú ý rằng, loại này cần phải có đường thoát khí từ van tác động qua đường khí điều khiển Pc ra môi trường (hình 8.2b). Có một loại rơ-le khác trong đó khí cấp được điều khiển bởi một van, mà van đó được điều khiển bởi bộ khuếch đại vòi phun bản chắn vì thế áp suất vòi phun được chuyển thành áp suất điều khiển với bộ khuếch đại công suất. Vì áp suất điều khiển Pc thay đổi hầu như tức thời với sự thay đổi của áp suất vòi phun Pb , hằng số thời gian của rơ-le khí có thể bỏ qua nếu so với hằng số thời gian của bộ điều khiển khí và của toàn bộ hệ thống. Có vài rơ-le khí tác động ngược chiều. Chẳng hạn như rơ-le được vẽ trên hình 8.3 thuộc loại này, khi áp suất vòi phun tăng lên thì viên bi bị ấn xuống, áp suất điều khiển Pc giảm.

129

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Áp suất hơi trong vòi phun Pb

Khí thoát

Đến van khí Pc

Nguồn khí Ps Hình 7.4 7.4

Rơ-le tác động ngược chiều

Bộ điều khiển tỉ lệ (PC - proportional cotroller) Có hai loại bộ điều khiển khí: loại thứ nhất là lực - khoảng cách, loại thứ hai là lực - cân bằng.

7.4.1 Loại lực - khoảng cách (Force - distance) Hình 8.4 vẽ mạch khí của bộ điều khiển tỷ lệ, vòi phun bản chắn được sử dụng như một bộ tiền khuếch đại và áp suất vòi phun được điều khiển bởi khoảng cách giữa vòi phun và bản chắn, bộ khuếch đại rơ-le được sử dụng như một bộ khuếch đại thứ hai, áp suất vòi phun xác định vị trí màng van, cho phép điều khiển một lưu lượng khí lớn. Trong hầu hết các bộ điều khiển khí thường sử dụng mạch phản hồi. Phản hồi của cửa ra khí làm giảm lượng chuyển động thực của bản chắn. Thay thế cho bản chắn có một đầu cố định như hình vẽ 8.4b, người ta dùng mạch phản hồi hộp xếp như hình vẽ 8.4c. Độ lớn của tín hiệu phản hồi có thể được điều chỉnh bởi khoảng cách giữa hộp xếp và điểm nối vào bản chắn. Bản chắn bây giờ trở thành đường nối tự do (floating link), nó có thể dịch chuyển bởi cả 2 tín hiệu: tín hiệu độ lệch và tín hiệu phản hồi.

130

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Sai lệch tác động e X+x

Pb + pb

a Tín hiệu sai lệch

Tín hiệu sai lệch

(b)

(c)

b Z+z

Bộ giới hạn

Y+y F Pc + pc

Ps Rơ-le khí (a)

E(s)

b a+b

+-

X(s)

Pc(s)

K

Y(s) b a+b

A ks

E(s)

Kp

Pc(s)

(e)

(d)

Hình 7.5 Bộ điều khiển lực - khoảng cách: (a) Sơ đồ (b) Bản chắn một đầu cố định; (c) Bản chắn một đầu nối với hộp xếp; (d) Sơ đồ khối hệ thống; (e) Sơ đồ khối đơn giản Hoạt động của bộ điều khiển trên hình 8.4 như sau: tín hiệu vào đến bộ khuếch đại khí 2 tầng là tín hiệu sai lệch của cơ cấu. Khi tín hiệu sai lệch này tăng thì bản chắn dịch chuyển sang trái, dịch chuyển này làm tăng áp suất vòi phun và màng van dịch chuyển xuống dưới. Kết quả là tăng áp suất khí điều khiển. Sự tăng áp suất này làm cho hộp xếp giãn nở và dịch chuyển bản chắn vế phía phải làm mở vòi phun. Nhờ tín hiệu phản hồi này mà khoảng cách giữa vòi phun và bản chắn rất nhỏ trong khi sự thay đổi áp suất khí ra vẫn lớn. Cũng nên chú ý rằng, hoạt động thích hợp của bộ điều khiển yêu cầu dịch chuyển của bản chắn tạo bởi tín hiệu phản hồi của hộp xếp nên nhỏ hơn dịch chuyển tạo ra bởi tín hiệu sai lệch (nếu 2 tín hiệu này mà bằng nhau thì không có tác động điều khiển). Phương trình của bộ điều khiển này có thể rút ra như sau: khi sai lệch tác động là e = 0 ̅, khoảng cách thì tồn tại trạng thái cân bằng với khoảng cách vòi phun bản chắn là X ̅, khoảng cách dịch chuyển của màng van là Z̅, áp suất vòi dịch chuyển của hộp xếp là Y phun là ̅ Pb , và áp suất điều khiển là ̅ Pc . Khi xuất hiện sai lệch cơ cấu thì khoảng cách vòi phun bản chắn, khoảng dịch chuyển của hộp xếp, khoảng dịch chuyển của màng, áp suất vòi phun và áp suất điều khiển lệch khỏi vị trí cân bằng. Ta gọi các độ lệch này tương ứng là x, y, z, pb , pc . Chiều dương của các biến này được chỉ bằng mũi tên trên hình vẽ.

131

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Giả sử mối quan hệ giữa sự thay đổi của áp suất vòi phun và khoảng cách giữa vòi phun - bản chắn là: pb = K1 x

(8.1)

pb = K 2 z

(8.2)

Trong đó K1 là một hằng số dương. Với van màng:

Trong đó K 2 là một hằng số dương, vị trí của màng van xác định áp suất điều khiển, nếu quan hệ là tuyến tính thì ta có: (8.3)

pc = K 3 z Trong đó K 3 là một hằng số dương, từ các phương trình (8.1), (8.2) và (8.3) ta có: pc =

K3 K3 pb = K x = Kx K2 K2 1

(8.4)

Trong đó 𝐾 = K1 K 3 ⁄K 2 là một hằng số dương, với dịch chuyển của bản chắn, ta có: x=

be ay (8.5) − a+b a+b

Hộp xếp tác động như một lò xo và thỏa mãn phương trình: (8.6)

Apc = k s y Trong đó A là diện tích hữu dụng của hộp xếp và k s là hằng số lò xo tương đương.

Giả sử rằng tất cả sự thay đổi của các biến là nằm trong khoảng tuyến tính, chúng ta có thể vẽ được sơ đồ khối của hệ thống từ phương trình (8.4), (8.5) và (8.6) như hình vẽ 8.4d. Từ sơ đồ khối 8.4d, ta nhận thấy rằng bản thân hệ thống 8.4a là một hệ thống có phản hồi, và hàm truyền giữa pc và e như sau: bK

Pc (s) a+b ( ) = a A = K p 8.7 E(s) 1 + K. . a+b ks

Sơ đồ khối đơn giản như hình 8.4e. Vì pc và e là tỷ lệ, nên bộ điều khiển khí này được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ. Hệ số khuếch đại dễ dàng được chỉnh định trong một dải rộng nhờ chỉnh k s , chúng ta có thể chỉnh giá trị này bằng cách chỉnh cần nối tới bản chắn (không vẽ trên sơ đồ 8.4a). Như vậy tín hiệu sai số của cơ cấu dịch chuyển bản chắn về một phía trong khi tín hiệu phản hồi của hộp xếp làm dịch chuyển bản chắn theo hướng ngược lại, nhưng nhỏ hơn. Vì thế ảnh hưởng của phản hồi màng xếp làm giảm độ nhạy của bộ điều khiển. Nguyên

132

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

tắc phản hồi này thường được sử dụng để đạt được những bộ điều khiển có dải tỷ lệ rộng. Bộ điều khiển khí không có cơ cấu phản hồi như hình 8.4b có độ nhạy cao hơn và được gọi là bộ điều khiển khí 2 vị trí, hoặc là bộ điều khiển khí ON/OFF. Trong những bộ điều khiển như như thế này, chỉ cần một dịch chuyển nhỏ giữa vòi phun và bản chắn là có thể dẫn đến sự thay đổi áp suất ra từ cực đại về cực tiểu. Đường cong biểu diễn quan hệ Pp với x và Pc với x được vẽ trên hình 8.5b. Chú ý rằng, một sự thay đổi nhỏ của x tạo nên một sự thay đổi lớn của Pp và vì thế van màng có thể mở hoặc đóng hoàn toàn. Pb Pb

X

Pc

Ps

Ps

Ps Pc

Po

Po x

0 (a)

x

0

(b)

(c)

Hình 7.6 (a) Bộ điều khiển khí không phản hồi (b) Đường biểu diễn quan hệ giữa Pb và x (b) Đường biểu diễn quan hệ giữa Pc và x 7.4.2 Loại lực - cân bằng (Force - balance) Bộ điều khiển tỷ lệ loại lực - cân bằng được vẽ trên hình 8.6. Bộ điều khiển loại này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Những bộ điều khiển như thế được gọi là bộ điều khiển ngăn xếp. Nguyên lý hoạt động về căn bản không khác bộ điều khiển lực khoảng cách. Ưu điểm chính của bộ điều khiển lực - cân bằng là không dùng nhiều cơ cấu nối và điểm nối vì thế giảm ảnh hưởng của ma sát. Bây giời chúng ta xem xét nguyên lý của bộ điều khiển này, tín hiệu vào là Pr (reference input pressure) và áp suất ra là Po được cấp cho những khoang màng rộng. Chú ý rằng bộ điều khiển lực - cân bằng chỉ hoạt động với tín hiệu áp suất, vì thế cần phải chuyển đổi tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tương ứng với những tín hiệu áp suất. Trong bộ điều khiển lực - cân bằng, dùng một bản chắn, một vòi phun và lỗ giới hạn. Trong hình 8.6, vòi phun nằm ở khoang dưới cùng, màng ngay sát vòi phun chính là bản chắn.

133

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

P1 = k(Pc + pc) Khí thoát Áp suất khí chuẩn

Pr

A2

Po

A1

Pc + pc

Áp suất ra

Áp suất điều khiển

Nguồn khí X+x

Hình 7.7

Sơ đồ bộ điều khiển khí tỷ lệ kiểu lực - cân bằng

Nguyên lý hoạt động như sau: nguồn khí 1.4bar được cấp qua lỗ giới hạn, tạo nên một áp suất thấp ở khoang dưới cùng, khí trong khoang này thoát ra môi trường qua vòi phun, lưu lượng khí qua vòi phun phụ thuộc vào khe hẹp giữa vòi phun và bản chắn. Khi áp suất khí vào Pr tăng, trong khi áp suất ra Po giữ nguyên làm cho ti van dịch chuyển xuống giảm khe giữa vòi phun và bản chắn, làm cho ti van dịch chuyển xuống giảm khe hẹp giữa vòi phun và bản chắn, làm cho áp suất điều khiển Pc tăng. Xét: Pe = Pr − Po (8.8) ̅ Nếu Pe = 0 thì xuất hiện trạng thái cân bằng với khoảng cách vòi phun - bản chắn là X ̅c . Ở trạng thái cân bằng này, P1 = Pc . k (trong đó k < 1), và: và áp suất điều khiểnlà P ̅ =  (P ̅c . A1 − P ̅c . A1 . k)(8.9) X Trong đó:  - là một hằng số. Bây giờ chúng ta giả thiết rằng Pe ≠ 0 và tồn tại một sự thay đổi nhỏ trong khoảng cách vòi phun - bản chắn, và áp suất điều khiển tương ứng là x và pc . Chúng ta có phương trình sau: ̅ + x = [(̅ X Pc + pc ). A1 − (̅ Pc + pc ). A1 . k − pe . (A1 − A2 )](8.10) Từ phương trình (8.9) và (8.10), ta có: x = [pc (1 − k). A1 − pe . (A1 − A2 )](8.11) Tại điểm làm việc này, chúng ta xét giá trị của x. Trong thiết kế bộ điều khiển khí, khoảng cách vòi phun - bản chắn là rất nhỏ. Thực tế x⁄a có bậc cao hơn nhiều so với pc (1 − k). A1 hoặc pe . (A1 − A2 ), tức là với pe ≠ 0 thì: 𝑥

 134

≪ pc (1 − k). A1

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

𝑥



≪ pe . (A1 − A2 )

Chúng ta có thể bỏ qua thành phần x, phương trình (8.11) có thể được viết: pc (1 − k). A1 = pe . (A1 − A2 ) Ta có hàm truyền giữa pc và pe như sau: Pc (s) A1 − A2 = = Kp Pe (s) (1 − k). A1 Vậy bộ điều khiển trên hình 8.6 là bộ điều khiển tỷ lệ. Giá trị của K p tăng khi k tiến về 1. Chú ý giá trị của k phụ thuộc vào đường kính của lỗ giới hạn trong ống vào, ống ra của khoang phản hồi (giá trị của k tiến tới 1 khi sức cản lưu lượng trong lỗ giới hạn của đường ống trong nhỏ hơn). 7.5

Van tác động khí Một đặc điểm của hệ thống điều khiển khí là hầu hết chúng điều khiển lên van tác động khí. Van tác động khí có thể cung cấp một công suất ra lớn (vì các cơ cấu khí thường yêu cầu một công suất vào lớn nếu có thể). Trong các van tác động khí trong thực tế, đặc tính của van có thể không tuyến tính, vì thế lưu lượng có thể không tuyến tính với vị trí của ti van. Và cũng có thể có ảnh hưởng phi tuyến khác như tạo ra vòng trễ. Xét sơ đồ một van tác động khí như trên hình vẽ 8.7. Giả sử rằng diện tích của màng ̅c , độ dịch chuyển van là A, giả thiết rằng khi sai lệch cơ cấu là 0, áp suất điều khiển là P ̅. của van là X Bây giờ chúng ta xem xét sự thay đổi nhỏ của biến và tuyến tính hóa van tác động khí. Giả sử rằng sự thay đổi của áp suất điều khiển và độ dịch chuyển của van tương ứng là pc và x. Khi có một sự thay đổi nhỏ của áp suất khí thì màng sẽ được định vị lại tải bao gồm lò xo, ma sát nhớt, và phương trình cân bằng lực, trọng lượng sẽ là: d2 x dx Apc = m 2 + b + kx(8.12) dt dt Trong đó: m - là khối lượng của van và ti van b - hệ số ma sát nhớt k - hằng số lò xo Nếu lực gây nên bởi trọng lượng và ma sát là nhỏ, có thể bỏ qua thì ta có: Apc = kx(8.13) Hàm truyền giữa x và pc trở thành: X(s) A = = Kc Pc (s) k

135

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Nếu qi là sự thay đổi lưu lượng qua van tác động khí, tỷ lệ với x thì sự thay đổi dịch chuyển của ti van là: Q i (s) = Kq X(s) K q là một hằng số. Hàm truyền giữa qi và pc trở thành: Q i (s) = Kc Kq = Kv Pc (s) Với K v là một hằng số.

Khí vào điều khiển

Khí vào điều khiển

(a)

(b) Hình 7.8 Nguyên lý van tác động khí a - Van thường mở (normally open); b - Van thường đóng (normally closed)

Áp suất khí điều khiển tiêu chuẩn cho loại van tác động này khoảng từ 3 đến 15 psig. Khoảng dịch chuyển của ti van vào khoảng vài mm. Nếu cần hành trình dài hơn thì dùng 1 tổ hợp lò xo - piston. Trong van tác động khí thì lực ma sát tĩnh phải được giới hạn ở một giá trị thấp sao cho không tồn tại vòng trễ. Do khả năng nén của khí cho nên tác động điều khiển có thể không dương, tức là có thể có những sai lệch nằm ngoài vùng dịch chuyển của ti van. Việc sử dụng một bộ định vị van cho phép cải tiến hạn chế trên của van tác động khí. 7.6 136

Bộ điều khiển vi phân và tích phân

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Bây giờ chúng ta nghiên cứu các phương pháp để đạt được tác động điểu khiển vi phân và tích phân. Nguyên lý cơ bản để tạo ra tác động điều khiển mong muốn là thêm một hàm truyền thích hợp vào nhánh phản hồi. 7.6.1 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (PD - proportional - derivate controller) Nếu muốn thiết lập bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân thì ta thêm vào phần tử có hàm truyền 1⁄(Ts + 1) ở nhánh phản hồi. Xét bộ điều khiển khí được vẽ trên hình 8.8a. Với một sự thay đổi nhỏ của các biến, ta vẽ được sơ đồ khối của bộ điều khiển này trên hình vẽ 8.8b. Từ sơ đồ khối, ta nhận thấy rằng đây là bộ điều khiển tỷ lệ. Bây giờ chúng ta chứng minh rằng nếu thêm một bộ giới hạn vào nhánh phản hồi âm thì sẽ được bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân. e X+x

a

Ps

E(s) b

b a+b

+-

X(s)

Pc(s)

K

Y(s) b a+b

A ks

Pc + pc (a)

(d)

Hình 7.9

(a) Bộ điều khiển tỷ lệ; (b) Sơ đồ khối

Bộ điều khiển này được vẽ trên hình 8.9a. Giả thiết rằng sai lệch cơ cấu chỉ thay đổi trong phạm vi nhỏ, tức là sự thay đổi của khoảng cách vòi phun - bản chắn, của áp suất điều khiển nhỏ. Chúng ta có thể tóm tắt sự hoạt động của bộ điều khiển như sau: đầu tiên, ta giả sử có sự thay đổi nhỏ kiểu bước của e, khi đó sẽ có một sự thay đổi tức thì của áp suất điều khiển pc . Bộ giới hạn R cản trở hộp xếp phản hồi từ cảm nhận thay đổi áp suất pc . Vì thế hộp xếp phản hồi không thể đáp ứng kịp thời và van tác động khí sẽ cảm nhận đầy đủ ảnh hưởng của dịch chuyển bản chắn. Sau một khoảng thời gian, hộp xếp phản hồi sẽ giãn ra hoặc bị nén lại. Sự thay đổi của khoảng cách vòi phun - bản chắn x và sự thay đổi của áp suất điều khiển pc có thể vẽ theo thời gian như trên hình 8.9b. Ở trạng thái ổn định, hộp xếp phản hồi tác động như một cơ cấu phản hồi thông thường. Đường cong pc (t) chứng minh rằng bộ điều khiển là tỷ lệ - vi phân. Phương trình của bộ điều khiển này có thể rút ra như sau: khi sai lệch tác động là e = 0 ̅, khoảng cách thì tồn tại trạng thái cân bằng với khoảng cách vòi phun bản chắn là X ̅, áp suất vòi phun là P ̅b , và áp suất điều khiển là P ̅c . Khi dịch chuyển của hộp xếp là Y xuất hiện sai lệch cơ cấu thì khoảng cách vòi phun bản chắn, khoảng dịch chuyển của hộp xếp, áp suất vòi phun và áp suất điều khiển lệch khỏi vị trí cân bằng. Ta gọi các độ 137

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

lệch này tương ứng là x, y, pb , pc . Chiều dương của các biến này được chỉ bằng mũi tên trên hình vẽ. Giả sử mối quan hệ giữa sự thay đổi của áp suất vòi phun và khoảng cách giữa vòi phun - bản chắn là: (8.1)

pc = Kx Trong đó K là một hằng số dương. Với dịch chuyển của bản chắn, ta có: x=

be ay (8.5) − a+b a+b

RC.

dpb + pb = pc (8.6) dt

Qua bộ giới hạn R, áp suất trong hộp xếp là pb được xác định:

Hộp xếp tác động như một lò xo và thỏa mãn phương trình: Apc = k s y

(8.7)

Trong đó A là diện tích hữu dụng của hộp xếp và k s là hằng số lò xo tương đương. Từ các phương trình ( ), ( ), ( ) và ( ), ta thiết lập Sơ đồ khối tương ứng của bộ điều khiển này được vẽ trên hình 8.9c, trong đó K là một hằng số, A là diện tích hộp xếp, k s là hằng số lò xo tương đương của hộp xếp. Từ sơ đồ khối, ta có hàm truyền giữa pc và e: Pc (s) = E(s) 1+

bK aK

a+b A

.

.

1

a+b ks RCs+1

Trong bộ điều khiển này thì hệ số khuếch đại vòng KaA ≫1 (a + b)k s (RCs + 1) Do đó ta có: Pc (s) = K p (1 + Td s) E(s) Với: K p = bk s ⁄aA, Td = RC. Ta thấy rằng đây là khâu tỷ lệ - vi phân. Chú ý rằng, nếu van phản hồi mở hết thì tác động điều khiển trở thành tỷ lệ, còn nếu van đóng hết thì tác động điều khiển trở thành bộ điều khiển dải hẹp (ON/OFF).

138

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

e

t x e X+x

a t

Ps

pc b R C t

Pc + pc (a)

E(s)

b a+b

+-

(b)

X(s)

Pc(s)

K

b a+b

A ks

b RCs + 1

(c) Hình 7.10 (a) Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (b) Thay đổi bước e và sự thay đổi tương ứng của x, pc (c) Sơ đồ khối của bộ điều khiển 7.6.2 Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI - proportional - integral controller) Vòi phun - bản chắn, quan hệ tuyến tính: pc = K. x Với hộp xếp thứ I (phía bên trái): khi hoạt động, hộp xếp dịch chuyển đoạn yI , ta có: A. pc = k s . yI Với hộp xếp thứ II (phía bên phải): khi hoạt động, hộp xếp dịch chuyển đoạn yII , ta có: A. pII = k s . yII Qua bộ giới hạn: C.

dpII pc − pII = dt R

Hộp xếp dịch chuyển một đoạn 𝑦 = yI − yII 139

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Khoảng dịch chuyển giữa vòi phun và bản chắn: x=

be ay − a+b a+b

Biến đổi Laplace các phương trình trên, ta có: Pc (s) = K. X(s) A. Pc (s) = k s . YI (s) A. PII (s) = k s . YII (s) (RCs + 1)PII (s) = Pc (s) Y(s) = YI (s) − YII (s) X(s) =

b a . E(s) − . Y(s) a+b a+b

Từ các phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ khối như hình vẽ 8.10c

e

t x e X+x

a

Ps

t

R pc b C

C

P c + pc t (a) E(s)

b a+b

+-

(b)

+ +

X(s) a a+b

A ks

a a+b

A ks

(c) 140

Pc(s)

K 1 RCs + 1

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

E(s)

b a+b

+-

X(s)

Pc(s)

K

a A a + b ks

+

1 RCs + 1

(d)

Hình 7.11 (a) Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân (b) Thay đổi bước e và sự thay đổi tương ứng của x, pc (c) Sơ đồ khối của bộ điều khiển; (d) Sơ đồ khối đơn giản 7.6.3 Bộ điều khiển tỷ lệ - vi - phân - tích phân (PID - proportional - integral - derivative controller) Ta có các phương trình: pc = K. x C.

dpI pc − pI = dt Rd

A. pI = k s . yI C.

dpII pc − pII = dt Ri

A. pII = k s . yII y = yI − yII x=

be ay − a+b a+b

Biến đổi Laplace các phương trình trên, ta có: Pc (s) = K. X(s) (R d Cs + 1)PI (s) = Pc (s) A. PI (s) = k s . YI (s) (R i Cs + 1)PII (s) = Pc (s) A. PII (s) = k s . YII (s) Y(s) = YI (s) − YII (s) X(s) =

141

b a . E(s) − . Y(s) a+b a+b

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Từ các phương trình trên, ta xây dựng sơ đồ khối như hình vẽ 8.10c e Ri >> Rd

X+x

a

Ps Ri b

Rd

C

C

Pc + pc (a)

E(s)

b a+b

+-

X(s)

a A a + b ks

Pc(s)

K

+ -

1 RdCs + 1 1 RiCs + 1

(b) Hình 7.12 7.7

(a) Bộ điều khiển PID; (b) Sơ đồ khối bộ điều khiển

Các ví dụ điển hình về các bộ điều khiển khí nén

Ví dụ 1: Trong một hệ thống áp suất khí cho trên hình vẽ 8.12a. Giả sử rằng với t < 0 hệ thống ở trạng thái ổn định và áp suất của toàn bộ hệ thống là ̅ P, và giả thiết rằng hộp xếp đã được xác định. ̅ đến P ̅ + pi ; do đó, áp suất trên hộp xếp 1 và 2 Tại t = 0, áp suất vào được thay đổi từ P sẽ thay đổi từ ̅ P đến ̅ P + p1 , ̅ P + p2 . Thể tích của mỗi hộp xếp là 5 × 10−4 m3 , và áp suất chênh lệch làm việc là ∆p (chênh lệch giữa pi , p1 và pi , p2 ) là −0.5 × 105 N/m2 và 0.5 × 105 N/m2 . Lưu lượng tương ứng qua các van được vẽ trên hình 8.12b. Giả thiết rằng sự co giãn của hộp xếp là tuyến tính với áp suất khí, hằng số lò xo tương đương của các hộp xếp là 105 N/m và diện tích của mỗi màng là 15 × 10−4 m2 . Hãy xác định khoảng dịch chuyển của điểm giữa của cần nối 2 hộp xếp. Xác định hàm truyền X(s)/Pi (s). Giả thiết rằng quá trình giãn nở đẳng nhiệt và nhiệt độ của toàn bộ hệ thống được giữ ở 30o C. Bài giải

142

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Dp (N/m2)

Hộp xếp 1 q1

Van 1

R1

C P + p1

C A

0.5x105

Hộp xếp 2

x

P + p2

Van 2

Van 1

q2 -3x10-5 R2

1.5x10-5 q (kg/s)

Van 2

-0.5x105

P + pi (a)

(b)

Hình 7.13 Hệ thống 2 hộp xếp a - Sơ đồ cấu tạo; b - Mối quan hệ giữa chênh lệch áp suất và lưu lượng Hàm truyền của hệ thống: P1 (s) 1 = ; Pi (s) R1 Cs + 1

P2 (s) 1 = Pi (s) R 2 Cs + 1

Lực tác động lên các hộp xếp theo hướng x là: F1 = A(̅ P + p1 ); F2 = A(̅ P + p2 ) Theo định luật Newton: A(p1 − p2 ) = kx Khoảng dịch chuyển của điểm giữa của cần nối 2 hộp xếp: x=

A (p − p2 ) k 1

Thay các giá trị: A = 15 × 10−4 (m2 ); k = 105 (N/m); ∆p = −0.5 × 105 (N/m2 ) Ta được: x=

15 × 10−4 (−0.5 × 105 ) = −7.5 × 10−4 (m) 105

Vậy: điểm giữa dịch chuyển về phía hộp xếp 1 một đoạn 0.75 mm Xác định hàm truyền: Biến đổi Laplace: A[P1 (s) − P2 (s)] = kX(s) 143

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Từ các biểu thức trên, ta có: P1 (s) − P2 (s) =

R 2 Cs − R1 Cs P (s) (R1 Cs + 1)(R 2 Cs + 1) i

Do đó: R 2 Cs − R1 Cs k Pi (s) = 𝑋 (𝑠) (R1 Cs + 1)(R 2 Cs + 1) A ⟹

X(s) A (R 2 C − R 1 C)s = Pi (s) k(R1 Cs + 1)(R 2 Cs + 1)

Theo hình 8.12b, ta xác định được: Dp1 0.5 × 105 N/m2 10 ) R1 = = = 0.1667 × 10 ( q1 3 × 10−5 kg/s Dp2 0.5 × 105 N/m2 10 ) R2 = = = 0.3333 × 10 ( q2 1.5 × 10−5 kg/s Thay các giá trị theo giả thiết vào ta được hàm truyền hệ thống như sau: C = 5 × 10−4 (m3 ); A = 15 × 10−4 (m2 ); k = 105 (N/m); Ta được: (15 × 10−4 )(5 × 10−4 )[0.3333 × 1010 − 0.1667 × 1010 ] X(s) = Pi (s) 105 [(0.1667 × 1010 )(5 × 10−4 )s − 1][(0.3333 × 1010 )(5 × 10−4 )s − 1] =

1.25 × 10−7 (8.335s + 1)(16.665s + 1)

Vậy hàm truyền hệ thống là: X(s) 1.25 × 10−7 = Pi (s) (8.335s + 1)(16.665s + 1) Ví dụ2: Vẽ sơ đồ khối của bộ điều khiển khí cho trên hình 8.13. Từ đó hãy rút ra hàm truyền của bộ điều khiển. Hệ thống điều khiển loại gì nếu như bỏ qua sức cản R d hoặc R i ? Bài giải Gọi: 144

e - là tín hiệu sai lệch biên độ nhỏ, x - là sự thay đổi nhỏ của khoảng cách vòi phun - bản chắn,

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

-

pc - là sự thay đổi nhỏ của áp suất điều khiển, pI - là sự thay đổi nhỏ của áp suất trong hộp xếp I do sự thay đổi nhỏ của áp suất sinh ra, pII - là sự thay đổi nhỏ của áp suất trong hộp xếp II do sự thay đổi nhỏ của áp suất sinh ra, y - là khoảng dịch chuyển điềm dưới của bản chắn.

Giả sử rằng khi e = 0 thì ta có các thông số tương ứng của khoảng cách vòi phun - bản ̅ và áp suất điều khiển là P ̅c . chắn là X

e X+x

a b

C

C

y

Pc + pI

Pc + pII Ri Rd

Z+z Pc + pc Ps Hình 7.14

Sơ đồ bộ điều khiển cho bài 2

Trong bộ điều khiển này, pc được truyền đến hộp xếp I qua R d , pc được truyền đến hộp xếp II qua R d và R i mắc nối tiếp. Ta có: PI (s) 1 1 = = Pc (s) R d Cs + 1 Td s + 1 Với: Td = R d C = hằng số thời gian vi phân. Tương tự, ta có: PII (s) 1 1 = = Pc (s) R i Cs + 1 Ti s + 1 Với: Ti = R i C = hằng số thời gian tích phân. Phương trình cân bằng lực cho 2 hộp xếp là: 145

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

(pI − pII )A = k s y Với k s là hệ số lò xo tương đương của hệ 2 hộp xếp nối với nhau. Mối quan hệ giữa e, x, y và giữa pc , x là: x=

be ay − a+b a+b

pc = Kx, K > 0 Từ các phương trình trên ta có sơ đồ khối sau: E(s)

b a+b

X(s)

+-

Pc(s)

K

a a+b

A ks

PI(s)

-+

PII(s)

b Tds + 1

b Tis + 1

(a)

E(s)

b a+b

+-

X(s)

K

Pc(s)

aATis (a+b)ks(Tis+1)(Tds+1) (b) Hình 7.15

a - Sơ đồ khối của hệ thống khí; b- Sơ đồ tối giản

Ta có hàm truyền giữa Pc (s) và E(s) là: Pc (s) = E(s) 1+

bK Ka

A

. .

a+b (Ri C−Rd C)s

a+b k (Rd Cs+1)(Ri Cs+1)

Thực tế, ở điều kiện làm việc bình thường thì: aKATi s ≫ 1 và Ti ≫ Td (a + b)k s (Ti s + 1)(Td s + 1) Do đó hàm truyền trở thành: Pc (s) bk s (Ti s + 1)(Td s + 1) 1 = . = K p (1 + + Td s) E(s) aA Ti s Ti s Với: 146

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Kp =

bk s , aA

Ti = R i C,

Td = R d C

Vậy, bộ điều khiển trên hình 8.13 là bộ điều khiển PID. Nếu bỏ qua sức cản R d , nghĩa là R d = 0 thì đây là bộ điều khiển PI. Nếu bỏ qua sức cản R i , nghĩa là R i = 0 thì đây là bộ điều khiển PD. Ví dụ3: Hình 8.15 là một van màng. Ở trạng thái ổn định, áp suất điều khiển từ bộ điều khiển là ̅ ̅. Pc , áp suất trong van cũng là ̅ Pc , khoảng dịch chuyển của ti van là X Giả sử tại thời điểm t = 0, áp suất điều khiển thay đổi từ ̅ Pc đến ̅ Pc + pc . Khi đó, áp suất ̅ ̅ trong van cũng thay đổi từ Pc đến Pc + pv . Sự thay đổi áp suất trong van một lượng pv ̅ đến X ̅ + x. làm cho ti van cũng dịch chuyển một lượng từ X Hãy xác định hàm truyền giữa x và pc ? Bài giải R

Pc + pv

Pc + pc

q A

C

k

X+x

Hình 7.16

Sơ đồ nguyên lý van màng

Gọi: q - là lưu lượng khí đi qua bộ giới hạn R đến được van màng. Ta có: q= Với buồng khí bên trong van, ta có: 147

pc − pv R

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

C. dpv = q. dt Từ các biểu thức trên, ta có được: C.

dpv pc − pv =q= dt R

⟹ RC.

dpv + pv = pc dt

Mặt khác, cân bằng lực ở màng điều khiển, ta có: Apv = kx Cuối cùng, ta có được: k dx (RC + x) = pc A dt Vậy hàm truyền đạt là: X(s) A 1 = . Pc (s) k RCs + 1

148

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

PHẦN II

THỦY LỰC

149

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ THỐNG THỦY LỰC

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên kiến thức chung về một hệ thống thủy lực. Giới thiệu các ưu nhược điểm, và cấu trúc chungcủa hệ thống thống thủy lực. (0,5.1,5.0) 1.1

Khái niệm chung về hệ thống thủy lực Thủy lực là một công nghệ về điều khiển và truyền năng lượng thông qua dầu áp lực. Có thể nói thủy lực là cơ bắp của công nghiệp bởi vì thủy lực được dùng để ấn, đẩy, kéo, điều chỉnh, điều khiển tất cả máy móc trong công nghiệp hiện đại. Chẳng hạn các hệ thống lái ôtô, lái tàu thủy, các hệ thống điều khiển máy bay, máy công cụ, các hệ thống cần cẩu, tời, …đều có thể dùng hệ thống thủy lực. Công chất trong hệ thống thủy lực có thể là nước, dầu, thậm chí cả xăng nhẹ. Trong những hệ thống thủy lực đầu tiên người ta thường dùng nước vì nước có sẵn và giá thành rẻ. Tuy nhiên, nước có nhiều nhược điểm: dễ đóng băng, tính bôi trơn kém, thường làm rỉ kim loại. Ngày nay, dầu thủy lực được sử dụng rộng rãi. Về cơ bản có 2 loại hệ thốngthủy lực khác nhau: hệ thống vận chuyển và hệ thống lực. -

Hệ thống vận chuyển có nhiệm vụ phân phối dầu từ nơi này đến nơi khác, chẳng hạn như trạm bơm bơm nước sinh hoạt đến các hộ gia đình, trạm bơm nước phục vụ tưới tiêu, trạm chuyển dầu, …

-

Hệ thống lực được thiết kế để thực hiện một công việc nhất định, công việc này được thực hiện trực tiếp bằng năng lượng dầu thông qua xy-lanh hoặc bơm thủy lực. Tất nhiên, hệ thống điều khiển phải đảm bảo công việc được thực hiện láng, chính xác, hiệu quả và an toàn.

Thiết bị thủy lực bao gồm các thiết bị sinh lực lớn cũng như các phần tử logic nhỏ gọn để thực hiện chức năng điều khiển và kết hợp với các dạng điều khiển khác như khí, điện, các bộ điều khiển lập trình. 1.2

Ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực Thực ra chỉ có 3 phương thức truyền lực: điện, cơ, thủy khí. Hầu hết các ứng dụng đều kết hợp cả 3 phương thức này để đạt hiệu quả cao nhất cho toàn hệ thống. Vấn đề này còn phụ thuộc ưu điểm của từng phương thức trong một điều kiện nhất định, chẳng hạn để truyền năng lượng đi xa thì sử dụng điện là tối ưu nhất, sau đó là thủy lực. Sau đây là một số ưu điểm nổi bật của hệ thống thủy lực:

150

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1/ Điều khiển dễ dàng và chính xác: Chỉ cần sử dụng một cần điều khiển đơn giản và một nút ấn, chúng ta có thể điều khiển khởi động, dừng, tăng giảm tốc độ, ấn định lực một hệ thống thủy lực với độ chính xác cỡ một phần nghìn cm. Hình 1.1 vẽ sơ đồ cấu trúc thủy lực cho hệ thống lái tàu thủy.

Hình 1.1

Hệ thống lái thủy lực

2/ Khả năng nhân lực tác động: một hệ thống thủy lực, không cần dùng các cơ cấu bánh răng, puli, thanh truyền nặng nề có thể nhân lực một cách đơn giản và hiệu quả từvài kg đến vài tấn. Hình 1.2 là sơ đồ cẩu thủy lực đang nâng một vật có trọng tải lớn.

Hình 1.2

Hệ thống xenâng thủy lực

3/ Tạo được lực và moment không đổi: chỉ có hệ thống thủy lực mới có khả năng cung cấp một lực và moment không đổi cho dù tốc độ thay đổi. Điều này được

151

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

thực hiện kể cả khi công ra dịch chuyển vài cm/phút, vài chục m/phút, vài vòng/giờ hay vài nghìn vòng/phút. 4/ Đơn giản, an toàn, kinh tế: nói chung hệ thống thủy lực sử dụng các bộ phận chuyển động ít hơn trong hệ thống cơ khí hoặc là điện. Do đó chúng dễ bảo dưỡng sửa chữa hơn. Hệ thống thủy lực hoạt động an toàn, tin cậy, và chắc chắn hơn. 5/ Tác động như một chất bôi trơn và có khả năng truyền nhiệt tốt. 6/ Để sinh ra cùng một lực hoặc moment thì cơ cấu thủy lực có kích thước nhỏ hơn so với các cơ cấu khác loại. 7/ Cơ cấu thủy lực có thể làm việc ở chế độ liên tục, gián đoạn, đảo chiều, rung lắc, … mà không bị hư hỏng. 8/ Cơ cấu thủy lực có thể đáp ứng nhanh khi khởi động, dừng, đảo chiều, … 9/ Có khả năng tạo được chuyển động tịnh tiến cũng như chuyển động quay. 10/ Cơ cấu thủy lực ít rò dầu nên ít bị sụt tốc độkhi tải tăng. Một số nhược điểm của cơ cấu thủy lực : 1/Tính sẵn sàng của hệ thống thủy lực kém hơn hệ thống điện. 2/ Giá thành của hệ thống thủy lực cao hơn so với hệ thống điện thực hiện cùng chức năng. 3/ Tồn tại khả năng cháy nổ trừ khi dùng loại dầu chống cháy. 4/ Hệ thống thủy lực khó bảo dưỡng sữa chữa, nên dễ bị cặn bẩn. 5/ Dầu bẩn hay gây ra những lỗi trong hệ thống. 6/ Để thiết kế các hệ thống phi tuyến hoặc đặc tính phức tạp thì cấu trúc hệ thống thủy lực thực hiện rất phức tạp. 7/ Đặc tính điều khiển của hệ thống thủy lực kém, nên nếu một hệ thống được thiết kế không thích hợp thì đôi khi hệ thống bị dao động. 1.3

Cấu trúc chung của hệ thống thủy lực Một hệ thống thủy lực nói chung có 6 phần tử cơ bản sau: 1/ Két chứa công chất, thường là dầu thủy lực. 2/ Bơm. 3/ Động cơ lai bơm, thường là động cơ điện. 4/ Hệ thống van điều khiển lưu lượng, hướng, áp suất.

152

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5/ Cơ cấu chuyển năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ (lực hoặc môment) để sinh ra công hữu ích, cơ cấu này có thể là một piston cung cấp một chuyển động thẳng (hình 1.3) hoặc một động cơ thủy lực cung cấp một chuyển động quay (hình 1.4). 6/ Hệ thống đường ống.

Hình 1.3

1.4

Cấu trúc chung một hệ thốngthủy lực có cơ cấu chuyển động tịnh tiến

Các đặc tính của dầu thủy lực Đặc tính của dầu thủy lực ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng công tác và tuổi thọ của thiết bị, do đó dầu thủy lực được dùng phải sạch và có chất lượng cao để hệ thống thủy lực hoạt động có hiệu quả. Hầu hết dầu thủy lực ngày nay là những hợp chất phức tạp, ngoài chất cơ bản ra, dầu thủy lực còn có những chất phụ gia đặc biệt để cung cấp những đặc tính mong muốn. Về cơ bản, dầu thủy lực có 4 chức năng sau: 1/ Truyền tải năng lượng. 2/ Bôi trơn các bộ phận chuyển động. 3/ Làm kín các khe hở giữa các bộ phận ghép. 4/ Tiêu tán nhiệt.

153

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Để thực hiện các chức năng trên, trên quan điểm an toàn và giá thành sản phẩm, dầu thủy lực cần có các thuộc tính sau: 1/ Độ bôi trơn tốt. 2/ Độ nhớt lý tưởng. 3/ Độ ổn định về môi trường và hóa tính. 4/ Tương hợp với các vật liệu trong hệ thống. 5/ Môdun đàn hồi khối lớn. 6/ Chống cháy. 7/ Khả năng truyền nhiệt tốt. 8/ Mật độ thấp. 9/ Chống sủi bọt. 10/ Không độc hại. 11/ Không đắt. 12/ Tính sẵn sàng cao. Tất nhiên, không một loại dầu thủy lực nào có đủ các thuộc tính trên. Người thiết kế phải lựa chọn loại dầu phù hợp cho hệ thống được thiết kế. Dầu thủy lực cần phải được thay sau một khoảng thời gian sử dụng và thời gian này phụ thuộc vào loại dầu được dùng cũng như điều kiện làm việc. Nói chung dầu nên được thay khi độ nhớt và độ axit tăng. Dầu thủy lực nên được thay khi ở nhiệt độ làm việc để thải tạp chất và huyền phù.

154

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 2 NGUỒN CUNG CẤP VÀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI THỦY LỰC

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên nguyên lý hoạt động, cấu tạo, thông số chính của các thiết bị trong hệ thống nguồn cung cấp và phân phối thủy lực: các loại bơm thủy lực, đường ống dầu, co nối, bộ lọc, bộ hâm sấy dầu thủy lực, … (1.0.1,5) 2.1

Bơm thủy lực

2.1.1 Bơm bánh răng (Gear pump) Cấu tạo của bơm thông thường có từ hai bánh răng trở lên ăn khớp với nhau, có thể ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (External gear pump) a

Nguyên lý cấu tạo - Hoạt động Loại bơm bánh răng ăn khớp ngoài có hai bánh răng bằng nhau là đơn giản nhất. Dạng răng của bánh răng dùng trong bơm có thể là thân khía hay dạng xicloit (cycloid).Nhưng dạng thân khía được dùng nhiều hơn vì chế tạo đơn giản hơn.Số bánh răng của bơm thường gặp là 𝑍 = 8 ÷ 12. Trong trường hợp bơm nhỏ, các bánh răng có số bánh răng ít, thường dùng các bánh răng dịch chỉnh góc để tránh sự cắt chân răng. Gioăng làm kín

Khoang áp lực ngoài

Trục truyền động

Khoang áp lực

Mặt bích

Hình 2.1

155

Khoang áp lực

Nguyên lý của bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Gioăng làm kín

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Bánh răng chủ động của bơm gắn liền trên trục chính và ăn khớp với bánh răng bị động. Cả hai bánh răng đều đặt trong vỏ bơm. Khoảng trống giữa vỏ bơm, miệng ống hút và hai bánh răng gọi là bọng hút; khoảng trống giữa vỏ bơm, hai bánh răng và miệng ống đẩy gọi là bọng đẩy. Khi bơm làm việc, bánh răng chủ động quay, kéo bánh răng bị động quay quay theo chiều mũi tên (chỉ trên hình vẽ); chất lỏng chứa đầy trong các rãnh giữa các răng ngoài vùng ăn khớp được chuyển từ bọng hút qua bọng đẩy vòng theo vỏ bơm(theo chiều chuyển động của bánh răng). Vì thể tích chứa chất lỏng trong bọng đẩy giảm khi các răng của hai bánh răng ăn khớp, nên chất lỏng bị chèn ép và dồn vào ống đẩy với áp suất cao. Quá trình này gọi là quá trình đẩy của bơm. Đồng thời với quá trình đẩy, thì ở trong bọng hút xảy ra quá trình hút như sau: thể tích chứa chất lỏng tăng (khi các răng ra khớp), áp suất giảm xuống thấp hơn áp suất trên mặt thoáng của bể hút, làm cho chất lỏng chảy qua ống hút vào bơm(nếu áp suất ở mặt thoáng của bể hút là áp suất khí trời thì trong bọng hút có áp suất chân không). b

Các công thức Q p P (n,M)

Hình 2.2

V

Hệ thống bơm đơn giản

Tính toán thông số cho bơm dựa vào các thông số sau: V(cm3 ⁄rev) Q(l⁄min) p(bar) M(N ∙ m) n(rev⁄min) P(kW)

thể tích dịch chuyển qua bơm lưu lượng chất lỏng áp suất momen trục bơm tốc độ quay của trục bơm công suất động cơ sơ cấp

Các hiệu suất trong hệ thống: v (%) hm (%)

hiệu suất thể tích

t (%)

hiệu suất toàn phần

hiệu suất thủy lực - cơ khí

Các công thức xác định các thông số chính: Q = V ∙ n ∙ v ∙ 10−5

156

V=

Q ∙ 105 n ∙ v

n=

Q ∙ 105 V ∙ v

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

p= P=

M ∙ hm

V=

1.59 ∙ V p∙Q 6 ∙ t

Q=

M ∙ hm

M=

159 ∙ p 6 ∙ P ∙ t

p=

p

1.59 ∙ V ∙ p hm 6 ∙ P ∙ t Q

Bơm bánh răng ăn khớp trong (Internal gear pump) Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp trong đơn giản như hình vẽ 2.3. Bao gồm các phần tử: mặt bích để gắn bơm (1), thân bơm (2), vỏ hình trụ chứa trục quay (3), trục bánh răng (4), bánh răng trong (5), vòng bi thẳng (6), đĩa trục (7) và lưỡi chắn hình lưỡi gà (8). 4

1

7

2 7

3

8

M (điểm đo)

5

Ký hiệu P P S

6

6

Hình 2.3

S

Cấu tạo bơm bánh răng ăn khớp trong

Quá trình hút và đẩy trong bơm:Động cơ sơ cấp thông qua trục bánh răng 4 dẫn động cho bánh răng 5 quay theo chiều như hình vẽ. Lực được cấp đến cả hai bánh răng, sự di chuyển của bánh răng kéo dầu từ cửa hút (S) và kéo dầu vòng theo hai mặt của bản chắn hình lưỡi liềm. Khi bánh răng trên bề mặt đối nhau với lưỡi chắn hình lưỡi liềm, dầu thủy lực được đẩy vào của xả (P) của bơm.

Hình 2.4

Bơm bánh răng nhiều cấp và ký hiệu

Để tăng áp suất và lưu lượng, bơm bánh răng có thể được chế tạo nhiều cấp. Thực chất đó là các bơm được gắn chung trong 1 vỏ, cùng trục truyền động như hình vẽ 2.4.

157

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.1.2 Bơm cánh gạt (Vane pump) Bơm cánh gạt là một loại bơm thủy lực rotor có kết cấu đơn giản và làm việc ít ồn. Bơm cánh gạt có khả năng điều chỉnh được lưu lượng. Loại bơm này nhạy với chất bẩn hơn so với bơm bánh răng, nên có yêu cầu việc lọc chất lỏng khắt khe hơn (< 25 m). Bơm cánh gạt được sử dụng nhiều trong hệ thống máy công cụ (máy khoan, doa, phay, tiện, mài, …), trong công nghiệp đúc áp lực, trong giao thông vận tải, trong công nghiệp hóa chất, trong các nhà máy chế biến thực phẩm và trong công nghiệp khai thác. Theo nguyên lý có thể phân làm 2 loại: -

Bơm cánh gạt tác động đơn: loại này chỉ có 1 khoang làm việc. Phạm vi làm việc của bơm cánh gạt tác động đơn tương đối hẹp. Bơm cánh gạt tác động kép: có 2 khoang làm việc nhằm mục đích tăng lưu lượng bơm. Đối với bơm cánh gạt tác động kép, phạm vi làm việc của nó được mở rộng nhiều so với bơm cánh gạt đơn.

a. Bơm cánh gạt đơn (Single chamber vane pump) Bơm cánh gạt đơn chỉ có 1 khoang làm việc khi khi stator và rotor có sự chuyển động tương đối với nhau. Với bơm cánh gạt đơn có thể phân thành 3 loại tùy theo khả năng điều khiển lưu lượng dầu qua bơm như sau: -

Bơm cánh gạt lưu lượng không đổi (fix displacement), Bơm cánh gạt điều chỉnh lưu lượng trực tiếp (variable displacement) và Bơm cánh gạt điều khiển lưu lượng tự động(pilot operated).

Bơm cánh gạt lưu lượng không đổi Trên hình 2.5 trình bày nguyên lý cấu tạo của bơm cánh gạttác động đơn. Trên rotor có sẽ các rãnh để các cánh gạt chuyển động tịnh tiến ở trong rotor và stator được đặt lệch tâm với nhau để tạo nên sự thay đổi thể tích của các khoang làm việc khi stator và rotor có sự chuyển động tương đối với nhau. Khi bơm làm việc, các cánh gạt luôn tì sát vào thành stator dưới tác dụng của lực ly tâm hoặc lực lò xo hoặc áp lực chất lỏng dẫn từ buồng đẩy tới. Với chiều quay trên hình 2.4 thì khi làm việc, khoang V được mở rộng ra sẽ hút chất lỏng theo khoang hút vào trong bơm. Khi khối chất lỏng chuyển sang vùng V ′ , thể tích này bị thu hẹp lại và đẩy chất lỏng vào khoang đẩyV ′ với áp lực cao.

158

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Rotor V Vỏ

V’ Cánh gạt

Hình 2.5

Nguyên lý bơm cánh gạt đơn

Với kết cấu cánh gạt như trên thì ta thấy rằng trong một vòng quay, bơm thực hiện một lần hút và một lần đẩy. Vì lý do này cho nên bơm được gọi là bơm tác dụng đơn. Bơm càng nhiều cánh gạt thì lưu lượng càng đều. Thông thường, số cánh gạt có từ 4 đến 12 cánh. Nhược điểm lớn của loại bơm tác dụng đơn này là gây nên lực hướng kính lệch (từ phía khoang đẩy), làm phá hủy cục bộ các ổ đỡ, nhất là khi áp suất cao. Bơm cánh gạt điều chỉnh lưu lượng trực tiếp 3

4 5

6

7

2

1 P

S 9

S

10

Hình 2.6

Cấu trúc bơm cánh gạt điều chỉnh lưu lượng trực tiếp

Cấu tạo cơ bản gồm vỏ bơm (1), nắp (2), rotor (3), các cánh gạt (4), vành stator (5), lò xo nén (6), vít chỉnh định (7) và đĩa điều khiển (8). Để giới hạn lưu lượng cực đại, bơm được lắp một vít chỉnh (9). Rotor (3) sẽ quay trong vành stator (5). Các cánh van (4) được lai bởi rotor (3) và tì sát vào mặt trong của vành stator (5) nhờ lực ly tâm. Quá trình nén và đẩy trong bơm: Các khoang làm việc (10) sẽ chuyển chất lỏng thông qua các cánh van (4), rotor (3), vành stator (5), đĩa điều khiển (8) và nắp (2). Thể tích của khoang tăng dần khi rotor quay và các khoang này sẽ hút chất lỏng thông qua cửa hút S. Khi thể tích khoang đạt giá trị lớn nhất thì các khoang này sẽ dịch chuyển ra khỏi của hút của bơm.

159

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Do rotor tiếp tục quay và chất lỏng sẽ được nén và đẩy ra cửa đẩy (P) của bơm. Khi rotor quay hết một vòng thì kết thúc một chu kỳ hút và đầy trong bơm cánh gạt. Điều khiển áp lực:Vành stator (5) được giữ tại vị trí lệch tâm ban đầu bởi lò xo 6. Giá trị áp lực làm việc yêu cầu trong hệ thống được đặt bởi vít chỉnh 7 thông qua lò xo 6. Áp lực được tạo ra bởi lực tác động phía bên khoang đẩy của bơm sinh ra ở mặt trong của vành stator, chống lại lực ép của lò xo 6 Khi áp lực đạt giá trị đặt, được xác định bởi lực đặt lên lò xo, vành stator 5 sẽ chuyển từ vị trí lệch tâm về vị trí “0”. Lưu lượng qua bơm sẽ tự điều chỉnh đền giá trị đặt tại thời điểm đó. Khi đạt giá trị áp lực đặt cực đại, thì bơm sẽ điều chỉnh lưu lượng về vị trí “0” ảo. Áp lực hoạt động được duy trì ở giá trị đặt. Bơm cánh gạt điều khiểnlưu lượng tự động Cấu tạo cơ bản bao gồm vỏ bơm (1), nắp (2),các cánh gạt (3), vành stator (4), cơ cấu điều khiển áp lực (5), vít chỉnh định (6). Vành stator (4) thì được giữ bởi piston (10) và piston (11). Cơ cấu thứ 3 điều khiển vành stator là vít chỉnh định (7). Rotor (2) chuyển động quay trong vành stator (4). Các cánh van được dẫn động trong rotor và tì vào vành stator do lực ly tâm tạo ra khi hoạt động. 1

9

X

2

9

6

10

8

7

3

4

11

12

P

L

X

S

Hình 2.7

X-X

Cấu trúc bơm cánh gạt lưu lượng thay đổi

Quá trình hút và đẩy trong bơm khi hoạt động:Khoang áp lực đẩy (8) sẽ chuyển dòng chất lỏng được tạo bởi các cánh van (3), rotor (2), vành stator (4) và đĩa điều khiển (9). Để đảm bảo chức năng của bơm trong quá trình hiệu chỉnh, vành stator (4) được giữ bởi lò xo (12) phía sau piston lớn (11) trong vị trí lệch tâm (vị trí thay đổi). Khi rotor (2) quay, thể tích của khoang (8) tăng dần và các khoang này sẽ hút chất lỏng từ cửa hút (S) vào trong bơm. Khi các khoang này đạt giá trị thể tích lớn nhất thì nó sẽ chuyển ra khỏi vị trí nối với cửa hút. Rotor tiếp tục quay và các khoang này sẽ nối qua

160

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

của đẩy, thể tích của chúng giảm dẩn và chuyển khối chất lỏng trong khoang qua của áp lực (P) cấp nguồn áp lực cho hệ thống. Fp 14 5

13

Fs

P Két Áp lực hệ thống Áp lực điều khiển

10 4 S

Hình 2.8

11

Nguyên lý điều chỉnh tự động

b. Bơm cánh gạt kép (Double chamber vane pump) Trên hình 2.9giới thiệu sơ đồ kết cấu của bơm cánh gạt tác động kép. Khác với trường hợp bơm cánh gạt tác động đơn, để tăng thể tích làm việc trong các quá trình hút đẩy, người ta không bố trí rotor và stator lệch tâm nhau, mà mặt trong của stator có dạng của những cung tròn có bán kính khác nhau nối tiếp nhau. Hai khoang hút và hai khoang đẩy được bố trí đối xứng qua tâm của vỏ. Như vậy trong môt lần quay, bơm thực hiện hai lần hút - đẩy. Để tăng chiều dài khe hẹp, giảm lực dẫn động các cánh gạt và tránh cho các cánh gạt không bị kẹt, người ta có thể bố trí cánh gạt nằm nghiêng so với phương hướng kính một góc  = 6𝑜 ÷ 13𝑜 . Khi bơm được bố trí các cánh gạt nghiêng như vậy, máy chỉ làm việc quay theo một chiều cố định.

Cửa hút

Cửa đẩy

Hình 2.9

Kết cấu của bơm cánh gạt kép

Cũng tương tự như bơm bánh răng, ở bơm cánh gạt, để tăng áp suất, người ta dùng nhiều cấp có nhiều rotor lắp trên cùng một trục. Còn để tăng lưu lượng, người ta chế tạo 161

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

bơm cánh gạt kép. Loại này thực chất là 2 bơm cánh gạt gắn đồng trục. Chúng có cùng cửa hút nhưng cửa đầy thì riêng biệt. Hình 2.10 giới thiệu bơm cánh gạt kép có chung cửa hút và cửa đẩy thì riêng biệt.

Hình 2.10

Bơm cánh gạt kép

2.1.3 Bơm trục vít (Screw pump) Hình 2.11là nguyên lý cấu tạo của một số loại bơm trục vít. Khi trục vít chủ động quay, kéo theo trục vít bị động quay theo. Chất lỏng chứa trong rãnh ren của các trục vít, được hình dung như các “đai ốc chất lỏng”, chuyển động tịnh tiến quay từ miệng hút đến miệng đẩy. Sự ăn khớp của hai trục vít có tác dụng làm kín và đẩy “đai ốc chất lỏng” chuyển động.

(a)

(b) Rotor

Stator

Trục các-đăng

(c)

Hình 2.11 Bơm trục vít a- Loại 3 trục vít; b-Loại 2 trục vít; c-Loại 1 trục vít

162

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.1.4 Bơm piston hướng trục (Axial piston pump) Trong bơm piston hướng trục hình 2.12 hành trình của piston song song với trục truyền động hay song song với trục của khối xy-lanh.

Piston dịch chuyển vào ở Van đĩa cửa ra bơm Piston Chiều quay

Cửa ra

Cửa vào

Trục quay Đĩa nghiêng Vành đĩa Xy-lanh

Hình 2.12

Piston dịch chuyển ra ở cửa vào bơm

Cấu trúc nguyên lý của bơm piston hướng trục

Sự tịnh tiến tới lui của các piston được điều khiển bởi tấm đĩa nghiêng gắn lệch một góc trên trục truyền động.Khi trục quay, khối xy-lanh quay theo, tấm đế của piston tì vào tấm điều khiển. Vì vậy khi tấm điều khiển quay các piston sẽ chuyển động tịnh tiến trong các xy-lanh. Lượng dầu bơm cung cấp trong mỗi vòng quay phụ thuộc vào đường kính xy-lanh, số piston và hành trình của piston. Góc nghiêng của đĩa điều khiển sẽ xác định hành trình của piston. Vì thế, có thể thay đổi góc lệch này để điều chỉnh lưu lượng dầu của bơm. Trong thực tế, góc lệch của đĩa điều khiển có thể cố định, có thể điều chỉnh được tùy từng loại bơm cụ thể. Do đó, về nguyên tắc có thể chia làm 2 loại: - Bơm piston hướng trục lưu lượng không đổi (fix displacement), - Bơm piston hướng trục biến lượng (variable displacement) Hoạt động của bộ bù áp suất Hình 2.13b cho ta thấy một bơm thủy lực sử dụng bộ điều tiết áp suất. Bộ điều tiết áp suất sẽ điều khiển vị trí của tấm chắn một cách tự động (hoặc bằng tay trong chế độ sự cố) để giới hạn áp suất ở ngõ ra. Bộ này gồm một bộ van cân bằng lực của lòxo và áp suất hệ thống, van sẽ điều khiển một piston điều khiển trong bơm. Ban đầu lòxo trở về của tấm chắn giữ tấm này ở vị trí lượng dầu phát ra cao nhất. Áp suất từ ngõ thoát của bơm thông qua đường dầu điều khiển được đưa đấn van điều tiết. Lực đẩy của lòxo điều chỉnh trên van điều tiết chống lại áp suất dầu trong cửa dầu điều 163

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khiển. Khi áp suất điều khiển thắng được lực của lòxo điều chỉnh, van điều chỉnh sẽ tịnh tiến cho phép dầu đi vào piston tác động tấm chắn. Dầu đẩy piston làm cho tấm chắn chuyển động và làm giảm hành trình chuyển động của piston trong khối xy-lanh, dầu phát ra giảm. Nếu áp suất điều khiển giảm (áp suất dầu ở ngõ giảm), dầu trong piston tác động lên tấm chắn sẽ xả ra. Lúc này, lòxo trở về của tấm chắn làm cho tấm đó chuyển động trở về vị trí lượng dầu phát ra là cực đại.

Van bù áp (điện từ) Đĩa nghiêng

Piston

Van bù áp (bằng tay)

Piston điều khiển Piston

Đĩa nghiêng Vòng bi

Servo piston

Đĩa van (a)

Hình 2.13

Xy-lanh Lò xo phản kháng

(b)

Cấu trúc của bơm piston hướng trục lưu lượng không đổi (a) và bơm piston hướng trục biến lượng (b)

Bơm piston có trục lệch Trong bơm piston có trục lệch hình 2.14, thanh truyền được nối với trục truyền động bằng khớp bi. Khối xy-lanh được nối với trục truyền động bằng khớp nối các-đăng, vì vậy chúng có thể cùng quay nhưng lệch nhau một góc. Nòng xy-lanh tùy vào một tấm van có lỗ nối với ngõ nạp, và ngõ thoát.

164

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Vỏ

Piston

Trục

Hình 2.14

Cấu trúc của bơm piston hướng trục có trục lệch

Hoạt động của bơm tương tự như bơm hướng trục có trục thẳng. Lượng dầu phát ra trong mỗi vòng quay sẽ được điều khiển thông qua thông qua góc lệch giữa trục khối xy-lanh và trục truyền động. 2.1.5 Bơm piston hướng kính (Radial piston pump) Bơm piston hướng kính hay còn gọi là bơm rotor hình sao. Thông thường số piston của bơm là số lẻ: 3, 5, 7, … piston. Để tăng lưu lượng của bơm, có thể tăng gấp đôi số piston bằng cách chế tạo hai bộ piston song song nhau gọi là bơm hướng kính kép. Cấu trúc chi tiết bơm piston hướng kính như hình vẽ 2.15. Về cơ bản, bơm gồm các chi tiết chính sau: thân bơm (1), trục lệch tâm (2), trục piston và xy-lanh (3), van hút (4), van xả (5) và piston (6). Quá trình hút và đẩy trong bơm Các piston (6) được lắp hướng kính đối với trục lệch của bơm (2). Piston dạng lõm(6) với van hút (4) chuyển động tịnh tiến trong xy-lanh (7) và được định vị ở vị trí hành trình ra nhờ lò xo (8) ép trên trục lệch tâm (2). Bán kính của mặt trượt của piston phụ thuộc vào bán kính của trục lệch tâm. Xy-lanh (7) tựa vào gối đỡ bán cẩu (9). Khi piston 6 chuyển động hướng xuống, thì khoang làm việc (10) mở rộng trong xylanh. Áp suất trong khoang giảm làm cho van hút mở ra. Đồng thời, đường nối cửa hút (12) thông với khoang làm việc (10) mở ra nhờ rãnh hướng kính (11) trong trục lệch tâm (2). Khoang làm việc lúc này đã chứa đầy dầu. Và khi piston chuyển động lên, van hút (4) đóng lại và van xả (5) mở ra. Dầu áp lực cao lúc này chuyển qua cửa ra (P).

165

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

P

P

1

1

3 11 2

2 3

12

S

9

5

10

4

8

7 6

12

S (a)

(b)

Hình 2.15 Cấu trúc bơm piston hướng kính (a) Cấu trúc chi tiết 1 piston xy-lanh (b) Quá trình bơm hoạt động có thể tóm tắt như hình vẽ 2.16. Quá trình này có thể chia thành 4 giai đoạn như sau: 1. Piston ở vị trí cao nhất, khoang làm việc lúc này có thể tích nhỏ nhất. Cả van hút và van xả đều đóng. 2. Khi trục bơm quay, piston dịch chuyển. Khoang làm việc tăng dần thể tích lên và van hút mở do áp lực trong khoang giảm xuống và lò xo đẩy piston đi xuống. Dầu được đưa vào khoang làm việc thông qua cửa hút. 3. Khi piston dịch chuyển đến vị trí thấp nhất thì lúc này, thể tích khoang làm việc là cực đại. Van hút và van xả đều đóng lại. 4. Do trục tiếp tục quay cho nên piston sẽ chuyển động hướng lên. Dẩu được nén trong khoang làm việc. Do áp suất trong khoang tăng, cho nên van xả mở, dầu áp lực được cấp cho hệ thống thông qua cửa xả của bơm.

(a) Hình 2.16

(b)

(c)

(d)

Quá trình hoạt động 1 vòng quay của 1 piston

Đối với bơm piston hướng kính cũng có khả năng điều chỉnh lưu lượng. Để thay đổi lưu lượng làm việc của bơm, thông thường người ta sẽ thay đổi vành định tâm bơm, tức là thay đổi độ lệch tâm của trục truyền động. Lúc này sẽ thay đổi khoảng dịch chuyển của piston trong xy-lanh, do đó thay đổi thể tích dầu bơm ra sau một vòng quay.

166

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2.1.6 Bơm con lăn ống mềm Nguyên lý làm việc của bơm con lăn ống mềm là chất lỏng trong ống mềm bị ép (và dãn) dưới tác dụng của con lăn trên ống. Trên hình 2.17 là sơ đồ cấu tạo của một bơm con lăn ống mềm. 4

1 2

5

3 4

Hình 2.17 Bơm con lăn ống mềm 1. Rotor; 2.Stator; 3. Thân ống mềm; 4. Con lăn; 5. Măng sông nối với vòng kẹp. Trong quá trình làm việc, bơm thực hiện ba quá trình: hút, vận chuyển và đẩy chất lỏng. Lưu lượng của bơm thay đổi theo đường kính ống và vận tốc quay của rotor.

(a)

(b)

(c)

Hình 2.18 Quá trình làm việc của bơm con lăng ống mềm a. Quá trình hút; b. Quá trình vận chuyển; c. Quá trình đẩy 1. Quá trình hút: Dưới tác dụng của con lăn, ống mềm bị nén và bịt lại. Phía sau con lăn,ống mềm đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu tạo nên thể tích chân không hút chất lỏng hình 2.18a. 2. Quá trình vận chuyển: Dưới tác dụng quay của con lăn, thể tích chất lỏng chứa giữa hai con lăn được vận chuyển trong ống từ khoang hút đến khoang đẩy hình 2.18b. 3. Quá trình đẩy: Dưới sức nén của con lăn thứ hai, chất lỏng được đẩy ra kênh hình 2.18c. 2.1.7 Bơm màng (Diaphragm pump) Bơm màng là một loại bơm có nguyên lý hút đẩy kiểu piston đơn trong đó người ta thay thế piston bằng màng. Tuy nhiên, sự khác nhau giữa hai loại bơm này như sau: 167

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

 Đối với bơm piston, sự thay đổi thể tích làm việc của bơm được xác định theo hành trình chuyển động tương đối giữa piston và xy-lanh. Do vậy, có khe hở giữa piston và xy-lanh và kết cấu làm kín giữa hai phía của piston là ở dạng động.  Đối với bơm màng, sự thay đổi thể tích làm việc sinh ra do chuyển động tịnh tiến của màng. Ở bơm này không có kết cấu làm kín động như bơm piston. Vì vậy, chúng được sử dụng trong những trường hợp bơm chất bẩn, độc hại, có tính lây nhiểm.  Bơm màng có thể hoạt động bằng năng lượng điện hoặc khí nén tùy theo yêu cầu công nghệ của các hệ thống. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động minh họa như hình vẽ 2.19. Có thể giải thích hoạt động theo 3 quá trình như sau: 1. Hành trình qua phải (right stroke): như hình vẽ 2.19a. Van khí điều khiển khí nén vào trong mặt sau của màng A. Khí nén sẽ tác động lên khối chất lỏng được thông qua bằng màng đàn hồi cách ly. Màng đàn hồi đóng vai trò là màng phân cách giữa khí nén điều khiển và chất lỏng trong bơm, cân bằng tải và loại trừ ứng suất cơ khí tại vị trí màng bơm. Khí nén tác động làm màng A chuyển động dịch ra khỏi vị trí trung tính của bơm. Màng đối diện B sẽ bị kéo và chuyển động thông qua trục nối giữa các màng. Màng B lúc này ở trạng thái hoạt động ở chu trình hút; khí ở phía sau màng sẽ bị ép và đẩy ra cửa xả của bơm. Chuyển động của màng B về phía trung tính của bơm tạo môi trường áp lực thấp trong khoang B. Áp lực này kéo chất lỏng vào trong khoang thông qua van cửa vào lúc này đã ở vị trí mở. Chất lỏng sẽ chảy tự do vào trong khoang B. 2. Hành trình đến điểm giữa (mid stroke): Khi màng A chuyển động đến vị trí giới hạn ép cực đại, thì van khí nén điều khiển chuyển hướng đưa khí nén vào mặt sau của màng B. Khí nén đẩy màng B ra khỏi vị trí trung tính của bơm và kéo màng A về vị trí trung tính. Màng B lúc này ở giai đoạn hành trình xả. Màng B tác động đóng van cửa vào và mở van cửa ra, bơm sẽ cấp lưu lượng chất lỏng cho hệ thống thông qua cửa ra (P) của bơm. Chuyển động của màng A về vị trí trung tính làm cho khoang A hoạt động ở giai đoạn hút chất lỏng vào khoang A (tương tự trường hợp hút chất lỏng của khoang B ở trên). 3. Hành trình qua trái (left stroke): Khi hoàn thành hết hành trình, van khí nén vẫn tiếp tục cấp khí cho mặt sau của màng A. Chuyển động của màng A do lực ép khí nén vẫn duy trì khoang B hoạt động ở giai đoạn xả. Khi bơm đến đạt đến điểm khởi động ở (1), mỗi màng đã hoàn thành 1 chu trình hút và xả. Bơm màng có thể mất vài chu trình hút-xả mới hoàn thành quá trình khởi động.

168

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

(P) CLOSED

OPEN

OPEN

CLOSED

OPEN

CLOSED

OPEN

CLOSED

CLOSED

OPEN

OPEN

CLOSED

(S) (a)

(b)

Hình 2.19 2.2

(c)

Nguyên lý bơm màng điều khiển bằng khí nén

Đường ống thủy lực và co nối Có nhiều loại liên kết nối khác nhau được sử dụng để đưadòng thủy lực từ nguồn cung cấp và dẫn đến nơitác động. Ống dẫn trong hệ thống thủy lực cho phép dòng thủy lực đi từ két chứa đến cơ cấu vận hành. Ở chừng mực nào đó, hầu hết chúng ta điều biết các ống dẫn các ống dẫn,và các loại liên kết mềm sử dụng trong hệ thống vận hành thủy lực. Tuy nhiên, tính quan trọng thật sự của hệ thống đường ống có khuynh hướng bị xem thường. Thực tế là mỗi chi tiết nhỏ của hệ thống đường ống cũng quan trọng như mọi thiết bị khác trong hệ thống thuỷ lực. Nếu chi tiết đó không được thiết kế và lắp đặt một cách đúng đắn, cẩn thận, sạch sẽ, ổn định và có kích cỡ chính xác, toàn bộ hệ thống có thể bị hỏng hóc, và phải tốn kém thêm để sửa chữa.

Những chú ý về hệ thống ống dẫn  Giữ hệ thống sạch sẽ - Dầu thủy lực bẩn cũng làm bẩn hệ thống và dầu bẩn gây phần lớn các hỏng hóc trong hệ thống thủy lực. - Cần phải chọn lựa đường ống kỹ lưởng, làm sạch dầu mỡ, tẩy rửa chất bẩn và thổi cát trong giai đoạn đường ống làm vệ sinh trước khi lắp đặt. Những thông tin về quá trình xử lý này được giới thiệu bởi nhà chế tạo hoặc các đại lý phân phối các thiết bị vệ sinh trong công nghiệp.  Gá đỡ hệ thống - Công tác gá đỡ những đường ống dài trong hệ thống thủy lực là cần thiết, để giữ cho hệ thống giảm thiểu sự rung động. Để dễ dàng trong công việc tháo ráp, cần cố gắng để các thiết bị kẹp chặt hoặc các đầu gá đỡ cách xa các khớp nối, nếu cóthể được. (Ngoại trừ những đường ống áp suất cao, có các đầu nối được hàn bằng đồng thau, hoặc những mối liên kết hàn bằng điện được sử dụng, để tăng thêm độ chắc chắn, an toàn). 169

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

 Đối với đường ống nạp (ống hút) - Những đường ống nạp (đường ống hút) cần ngắn và có đường kính bên trong lớn nếu có thể được. Ở những hệ thống sử dụng đường ống nạp dài, nên lắp một đường ống có dung tích lớn hơn độ mở của ống nạp bơm. Các đường ống nạp không được phép nhỏ hơn kích cỡ của cửa nạp vào bơm. Nên sử dụng tối thiểu các đoạn cong và khớp nối ở ống nạp gắn vào bơm, không nên sử dụng những khối nối áp suất cao trên ống nạp. Nếu chúng ta không nhận được dầu thuỷ lực vào, thì chúng ta cũng không có lượng dầu ra. Các mối liên kết ở đường ống nạp phải luôn luôn chặt, kín khít, nếu các đầu nối lỏng, không khí sẽ đi vào hệ thống thuỷ lực.  Đối với đường ống trở về - Nên tránh việc sử dụng ống mềm áp suất cao cho các đường ống trở về. Các ống này có thể làm tăng thêm sự sụt áp qua hệ thống. - Những đường ống trở về khi bị lỏng có thể rút không khí vào hệ thống thuỷ lực. Chúng nên có đầu trống nằm ở dưới mức dầu thuỷ lực. Ở những nơi cần có đường ống trở về dài, phải sử dụng loại ống tube hoặc ống mềm có đường kính lớn hơn các cổng ra ở thiết bị thuỷ lực. Kích cỡ của đường ống trở về không được làm giảm bớt đi. Chỉ nên sử dụng rất ít các đoạn cong và khớp nối trên đường ống.  Đối với đường ống áp suất - Tất cả các đường ống áp suất ở những hệ thống sử dụng loại ống pipe (loại ống lớn) phải có các khớp nối bằng thép rèn thích hợp, và tuỳ thuộc vào áp suất hoạt động của hệ thống. Những đường ống áp suất thường dẫn dòng thuỷ lực với áp suất 2000 psi (138 bar), 3000 psi (207 bar) và 5000 psi (345 bar).  Đối với các khớp nối - Sự chọn lựa kỹ lưỡng, đúng đắn, các loại khớp nối và ống dẫn là rất quan trọng. Các loại ống tube ít bị rò rỉ hơn ống pipe. - Các loại khớp nối bằng gang dẻo chỉ thích hợp đối với các đường ống nạp, ống trở về và ống xả. Các khớp nối và ống mạ kẽm không sử dụng trong hệ thống thủy lực, ngoại trừ để nối đường ống nước làm nguội đến bộ trao đổi nhiệt (bộ làm mát dầu thuỷ lực). Sự tránh kẽm có tác động bất lợi trên một số loại chất phụ gia có trong dầu thuỷ lực, và có thể tạo thành các vảy làmhư hỏng thiết bị thuỷ lực. Chúng ta cũng nên tránh sử dụng ống tube bằng đồng trong các hệ thống thuỷ lực. Sự rung động là một đặc trưng cố hữu của những ứng dụng thuỷ lực. Các ống dẫn bằng đồng có khuynh hướng bị chai cứng và nứt vỡ ở tại các đầu ống được làm loe miệng.  Đối với đường ống mềm - Khi thiết đặt ống mềm, chúng ta phải dự trù ống có đủ độ chùng, tránh độ căng và vặn xoắn ống, … Cần chú ý chỉ có ống dẫn làm mềm, còn khớp nối không phải 170

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

là loại uốn. Ống mềm được lắp đặt quá căng sẽ không dịch chuyển với áp suất đột ngột, nếu có độ chùng ở đường ống, sẽ bù hoàn và làm giảm bớt sự căng. Ống mềm không được làm xoắn trong lúc thiết đặt hoặc trong khi vận hành, nếu ống mềm bị xoắn sẽ bị yếu và làm lỏng các đầu nối. Một thiết đặt đơn giản, gọn gàng có thể thực hiện bằng cách sử dụng thêm những khớp nôí để thu ngắn những vòng mạch thuỷ lực quá dài, không cần thiết. Các ống mềm phải được kẹp chặt một cách tương xứng để tránh sự cọ xát và bảo đảm chúng không bị vướn mắc với các bộ phận chuyển động. Ở những nơi mà ống mềm dễ trầy xướt, bị cọ vào các góc cạnh, chúng phải được lắp với ống cao su tổng hợp loại neoprene để bảo vệ. 2.3

Két chứa dầu (oil tank) Két chứa dầu trong hệ thống thủy lực đáp ứng một số chức năng chính sau: - Nhận và chứa dầu thủy lực cung cấp cho hoạt động của hệ thống, - Tản nhiệt cho dầu khi hoạt động, - Tách khí, chất bẩn, nước, … lẫn trong dầu, - Hỗ trợ lắp các thiết bị phụ trợ khác như: van điều khiển, van điều chỉnh, đồng hồ đo, bơm, động cơ, … Kích thước két dầu phụ thuộc vào một số tham số như sau: - Lưu lượng của bơm thủy lực, - Nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động so với nhiệt độ tối đa cho phép của loại dầu thủy lực trong hệ thống, - Yêu cầu về lắp đặt, sử dụng, Két dầu có kết cấu cao thích hợp cho việc tách khí trong dầu và két dầu rộng thích hợp cho giải nhiệt cho dầu. Két dầu có trang bị vít xả đáy đồng thời đáy két phải chế tạo có độ nghiêng để phù hợp cho việc xả nước lằng đọng và xả bẩn. Trong két dầu thường trang bị vách ngăn giữa khoang hút (khoang dầu vào cho bơm) và khoang dầu hồi, khoang dầu cung cấp. Chức năng của vách ngăn giúp kéo dài thời gian lắng đọng cặn bẩn, nước, … trong dầu. Chú ý là khi lắp đặt phải để ống dầu hút và ống dầu hồi càng xa nhau càng tốt, đồng thời càng thấp so với mực chất lỏng càng tốt.

171

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Dầu bổ sung

Bơm và động cơ

Dầu hồi

Ống hút

Chỉ thị mức dầu cao Lọc dầu bổ sung Kính quan sát mức dầu Chỉ thị mức dầu thấp

Khoang hút

Vít xả đáy

Khoang hồi

Hình 2.20 2.4

Vách ngăn

Kết cấu một két dầu điển hình

Bộ lọc dầu (oil filter) Bộ lọc dầu giữ vai trò quan trọng trong hệ thống thủy lực nhằm đảm bảo cho các thiết bị trong hệ thống hoạt động chính xác, tin cậy và lâu dài. Dầu thủy lực bị nhiễm bẩn do có thể chúng xuất hiện trong giai đoạn lắp đặt thiết bị, vận hành hệ thống chẳng hạn như các hạt kim loại, bụi cát, rỉ hàn, bụi sơn, … Các chất bẩn này sẽ gây nên hiện tượng mài mòn, xâm nhập vào hệ thống làm thay đổi tính chất của dầu thủy lực, gây hỏng hóc cho các thiết bị chuyển động, các đường ống dẫn, … Nhiệm vụ của bộ lọc dầu là làm giảm chất bẩn trong dầu thủy lực đến mức thấp nhất có thể. Tùy thuộc vào yêu cầu từng hệ thống mà trang bị bộ lọc dầu đến mức nào. Trong hệ thống thủy lực, một số loại bộ lọc thông dụng: Bộ lọc đường dầu hồi (return line filter): bộ lọc dầu hồi được lắp trực tiếp ở két dầu, và đặt trên đường ống dẫn dầu về két dầu của hệ thống. Vỏ và lõi lọc phải được thiết kế sao cho có thể chịu được áp lực đỉnh có thể xảy ra khi van mở đột ngột hoặc dầu được rẽ nhánh thẳng vào két dầu qua van giảm áp.

172

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Các tham số khi tính toán chọn lựa bộ lọc dầu hồi: - Áp suất làm việc: tùy thuộc vào thiết kế, có thể lên đến 30 bar. - Lưu lượng: có thể lên đến 1300 l/phút trong trường hợp bộ lọc cho hệ thống két và đến 3000 l/phút cho hệ thống đường ống lớn. - Độ lọc: 10 ÷ 25 m. - Chênh lệch áp suất: có thể đến khoảng 70 bar, tùy thuộc vào thiết kế ruột lọc. Có thể trang bị bộ lọc kép để tránh việc ngưng trệ hoạt động trong lúc bảo trì bộ lọc. Trong kiểu thiết kế này, 2 bộ lọc mắc song song nhau, khi bảo trì, bảo dưỡng có thể tháo một lõi lọc để lấy chất bẩn mà không cần ngưng hoạt động của hệ thống.

Bộ lọc đường dầu hút (in line filter): các bộ lọc đường ống hút của bơm, do đó dầu thủy lực được hút ra từ két dầu phải đi qua bộ lọc. Đối với đường dầu hút, chỉ cần trang bị 1 bộ lọc là đủ. Độ lọc loại này được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mà độ sạch của dầu thủy lực không đảm bảo. Chức năng chính là bảo vệ cho bơm thủy lực, có độ lọc thấp cỡ khoảng 60 ÷ 100 m.

Bộ lọc áp suất: những bộ lọc này được lắp đặt trên đường áp suất của hệ thống trước các thiết bị nhạy cảm với chất bẩn như của van ra của bơm, van tiết lưu, …

173

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Các bộ lọc này chịu tác dụng của áp suất làm việc tối đa của hệ thống (có thể lên đến hơn 400 bar) nên phải thiết kế chắc chắn. Thông thường, các bộ lọc loại này cần trang bị một bộ chỉ báo độ bẩn. Độ lọc của các loại này vào khoảng 3 ÷ 5 m., áp suất chênh lệch cho phép cỡ khoảng 200 bar, lưu lượng cỡ 300 l/phút. 2.5

Bộ làm mát dầu (oil cooler) Trong các hệ thống thủy lực, khi hoạt động, dầu thủy lực ma sát với thành ống làm tổn hao năng lượng và gia tăng nhiệt. Điều này làm cho dầu thủy lực bị hâm nóng khi làm việc. Nhiệt độ làm việc của dầu không được vượt quá 50o ÷ 60o C. Khi nhiệt độ cao hơn mức cho phép, độ nhớt của dầu giảm, dẫn đến tình trạng lão hóa và làm giảm tuổi thọ của toàn hệ thống nói chung. Một số loại thiết bị làm mát được sử dụng cho dầu thủy lực như sau: - Bộ làm mát bằng không khí: dầu chảy qua ống và được làm mát tự nhiên hoặc làm mát bằng quạt gió. Ưu điểm của loại này là chi phí vận hành thấp, dễ dàng trong lắp đặt. Tuy nhiên, nó có một nhược điểm là gây tiếng ồn lớn khi hoạt động. - Bộ làm mát bằng nước: ống dầu chạy qua hệ thống nước làm mát. Ưu điểm của loại này là có thể tái sử dụng tổn thất nhiệt, không gây tiếng ồn khi làm việc. Nhược điểm là chi phí vận hành cao, dễ ảnh hưởng bởi chất bẩn và sự ăn mòn do môi chất làm mát.

A M B Hình 2.21 2.6

174

Bộ sấy dầu (oil heater)

Bộ làm mát dầu và ký hiệu

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Bộ sấy dầu thực chất là các điện trở sấy, có chức năng giữ cho nhiệt độ làm việc của dầu thủy lực nằm trong phạm vi hoạt động tối ưu. Mục đích nhằm đảm bảo cho hệ thống sẵn sàng khi khởi động, độ nhớt của dầu khi sấy đạt đến giá trị tối ưu. Nếu như độ nhớt quá cao thì sẽ gia tăng độ ma sát và hiện tượng xâm thực trong hệ thống. Đối với hệ thống thủy lực thông thường thì nhiệt độ dầu nằm trong khoảng từ 35o C ÷ 65o C trong két chứa dầu.

Hình 2.22

175

Bộ sấy dầu

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 3 CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên các kiến thức vềnguyên lý cấu tạo vàhoạt động của các loại van điều khiển, các thiết bị bảo vệ và cảm biến thông dụng trong hệ thống thủy lực. (1.2.0) 3.1

Giới thiệu chung Vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống thủy lực là điều khiển. Nếu các phần tử được lựa chọn không hợp lý thì toàn bộ hệ thống sẽ hoạt động không thỏa mãn yêu cầu. Phần tử cần đề cập đầu tiên là van, việc lựa chọn van không chỉ là loại van mà còn phải chọn kích thước van phù hợp. Về chức năng, có thể phân thành 4 loại van cơ bản: - Van 1 chiều (one-way directional control valve/check valve), - Van điều khiển hướng (directional control valves), - Van điều khiển áp suất (pressure control valves), - Van điều khiển lưu lượng (flow control valves). Van 1 chiều: là loại van xác định đường di của dòng chất lỏng trong hệ thống. Như tên gọi, van này chỉ cho dòng chất lỏng đi qua van điều khiển theo 1 chiều nhất định trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, tùy vào cấu trúc và yêu cầu, có thể điều khiển dòng chất lỏng đi theo chiều ngược lại nếu có tín hiệu điều khiển. Cơ bản đây cũng có thể coi là van điều khiển hướng (directional control valve). Van điều khiển hướng: là loại van xác định đường đi của dòng chất lỏng trong mạch. Vấn đề điều khiển hướng của dòng chất lỏng được thực hiện nhờ các van thoi, van điều khiển hướng 2,3,4 hoặc 5 cửa.

176

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Van điều khiển áp suất:là loại van bảo vệ hệ thống không bị quá áp suất, điều này có thể xảy ra vì sự tăng trưởng chậm khi nhu cầu công chất giảm hoặc khi đóng mở van đột ngột. Sự tăng trưởng chậm của áp suất được điều khiển bởi van giảm áp và van cân bằng. Tất nhiên là một bơm bù áp suất cũng có thể được sử dụng trong hệ thống thủy lực lớn. Van điều khiển lưu lượng:tốc độ dòng chảy được điều khiển bởi van điều khiển lưu lượng, chẳng hạn điều khiển tốc độ chuyển động của các cơ cấu (xy-lanh, động cơ thủy lực, …) phụ thuộc vào lưu lượng thông qua một van điều khiển lưu lượng. Một bơm dung tích thay đổi có thể được sử dụng để điều khiển tốc độ cơ cấu trong hệ thống một cơ cấu hoặc nhiều cơ cấu có cùng tốc độ. Van điều khiển lưu lượng không có bù áp suất được sử dụng ở các mạch điều khiển tốc độ không yêu cầu độ chính xác cao vì lưu lượng thay đổi do áp suất rơi trên van. Van điều khiển lưu lượng bù áp suất tự động bù áp suất rơi để tạo ra lưu lượng không đổi. 3.2

Van 1 chiều

3.2.1 Van 1 chiều Van điều khiển hướng được dùng để điều khiển hướng dòng chảy trong một hệ thống thủy lực. Loại đơn giản nhất là van 1chiều (check valve) trên hình 3.1 hay còn gọi là van điều khiển hướng 1 chiều (one-way directional control valve).Van này chỉ cho dòng chất lỏng chạy qua van theo một chiều và cấm chiều ngược lại. Ti van hình nón

Lò xo áp lực

Hướng dầu tự do p1

Hướng dầu bị khóa p2

ps Ac

Hình 3.1

Nguyên lý van 1 chiều

Nếu như áp lực p1 tác động lên ti van hình nón, thì nó sẽ đẩy ti van dịch ra khỏi vị trí khóa nếu như van không có lò xo áp lực. Lúc này, dầu sẽ chảy từ cửa 1 qua cửa 2 của van. Cửa 2 của van sẽ có áp lực làm việc là p2 . Trong trường hợp van có trang bị cơ cấu lò xo áp lực tác động lên ti hình nón như trong hình 2.1 thì van sẽ cho phép dầu chạy từ cửa 1 qua cửa 2 khi: p1 > p2 + ps 177

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong đó ps là áp lực tương đương của lò xo tác dụng lên ti hình nón, và được xác định theo biểu thức: ps =

Fs Ac

Với: Fs là lực ép của lò xo lên ti hình nón, Ac là diện tích mặt côn của ti tại điểm làm kín giữa khoang cửa 1 với ti van. Ti van làm kín của van 1 chiều có thể là ti hình nón, ti dạng mặt côn, ti đĩa hoặc bi kim loại. Trong hình 2.2 ta thấy cấu trúc bên trong của van, một lò xo nhỏ giữ cửa van ở vị trí đóng. Ở chiều thuận, áp suất lớn hơn lực lò xo (khoảng 5 psi) và dòng lưu lượng đi qua van, còn trong chiều ngược thì áp suất cùng chiều lực lò xo, van đóng. Ký hiệu van 1chiều được vẽ trên hình 3.2c. Chúng ta có thể so sánh van 1chiều trong mạch thủy lực tương tự diode trong mạch điện.

B 2 B

A

A 1 (a)

(b)

(c)

Hình 3.2 Cấu trúc của van 1-chiều a-Loại van góc (angle valve); b-Loại van thẳng (straight valve); c-Ký hiệu

178

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

m

A

B

P

T

P T

T

P

Ts M

Hình 3.3

Ứng dụng của van 1 chiều bảo vệ bơm thủy lực

Hình 3.3 là một ví dụ minh họa ứng dụng của van 1 chiều bảo vệ bơm thủy lực trong hệ thống thủy lực. Van 1 chiều có chức năng ngăn việc tác động áp lực lớn đặt lên cửa ra của bơm khi áp lực trong hệ thống thực hiện tăng cao hơn áp lực cửa ra của bơm. Khi dừng động cơ lai bơm thủy lực thì áp lực trong đường ống hệ thống không thể tác động quay ngược bơm và động cơ do có van 1 chiều chặn dòng chất lỏng. Đồng thời nếu có xảy ra áp suất đỉnh nào trong quá trình hoạt động của hệ thống cũng không thể ảnh hưởng đến bơm vì van 1 chiều ngăn dầu chạy ngược về bơm và các van giảm áp hoạt động hồi dầu về két. 3.2.2 Van 1 chiều có điều khiển (pilot-operated check valve) Một dạng khác của van 1chiều là van 1chiều có điều khiển như trên hình 3.4, van này cho phép dòng lưu lượng tự do qua một chiều còn chiều còn lại chỉ cho phép lưu lượng qua khi có áp suất điều khiển ở cửa điều khiển.

X

179

A (a)

B

X

A (b)

B

X

A (c)

B

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.4 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của van 1 chiều có điều khiển a-Van khóa đường dầu từ B qua A; b-Dầu đi tự do từ cửa A qua cửa B c-Dầu đi từ cửa B qua cửa A khi có tín hiệu điều khiển ở X

X A B A

B X

Hình 3.5

Kết cấu thực của van 1 chiều có điều khiển

3.2.3 Van 1 chiều kép có điều khiển (pilot-operated double check valve) Với van 1 chiều điều khiển kép, tải có thể được định vị với độ chính xác tin cậy ở phía trên xy-lanh ngay cả khi có rò rỉ bên trong. Tuy nhiên, vị trí tin cậy này chỉ có thể đạt được phụ thuộc vào xy-lanh sử dụng. Việc định vị nhờ một van 1 chiều điều khiển kép là không khả thi trong trường hợp dùng xy-lanh treo hoặc xy-lanh có cần xuyên suốt. B1

B2

A1

A2 (a)

B1

B2

A1

B1

B2

A1

A2

A2 (b)

(c)

Hình 3.6 Nguyên lý van 1 chiều kép a-Trạng thái khóa; b-Trạng thái mở; c-Ký hiệu Nguyên lý cấu tạo như trên hình vẽ 3.6. Van 1 chiều có điều khiển kép hoạt động theo nguyên lý như sau: dầu đi tự do từ cửa A1 qua B1 hoặc từ cửa A2 qua B2 , dầu từ cửa B1 qua A1 hoặc từ cửa bị khóa.

180

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí 1

2

3

4 A

1

2 B

2

A

Hình 3.7

Kết cấu thực của một van 1 chiều kép

B

Nếu dầu đi qua van từ cửa A1 qua B1 , thì piston điều khiển trong van dịch qua bên phải và ti van của khối van 2 mở, cho phép dầu đi qua van từ B2 qua A2 . Van cũng hoạt động tương tự trong trường hợp dầu đi từ cửa A2 qua B2 . Hình 3.8 giới thiệu một ứng dụng của van 1 chiều điều khiển kép để định vị chính xác tải m trên xy-lanh tác dụng kép.

181

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

m

B1

B2

A1

A2

A

B

P

T P

T TS M

Hình 3.8 3.3

Ứng dụng van 1 chiều điều khiển kép để định vị tải

Van điều khiển hướng Van điều khiển hướng là các thiết bị có chức năng thay đổi, mở hoặc đóng các đường dầu trong hệ thống thủy lực. Chúng được sử dụng để điều khiển hướng chuyển động của các phần tử trong hệ thống. Các quy ước chung cho các loại van điều khiển hướng: - Mỗi vị trí chuyển mạch khác nhau được thể hiện trong 1 hình vuông, - Đường dầu chạy qua các cửa trong van được thể hiện bằng đường thẳng nối giữa các cửa van, - Hướng dòng chảy của dầu được chỉ thị bởi hướng mũi tên trên đường dầu, - Cửa van đóng được thể hiện bằng một đường thẳng nằm ngang, - Cửa van được thể hiện tương ứng với hướng dòng chảy với đường mũi tên. - Cửa van dầu xả được vẽ bằng đường nét đứt và ký hiệu là (L) để phân biệt với các cửa van điều khiển Có thể tóm tắt như sau:

182

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Ký hiệu

Ý nghĩa Mỗi vị trí chuyển mạch được thể hiện trong 1 ô vuông Đường chất lỏng được chỉ thị bằng mũi tên trong ô Vị trí khóa Trạng thái có 2 đường chất lỏng đi trong van 2 cửa van thông với nhau, 2 cửa van đóng 3 cửa van thông với nhau, 1 cửa van đóng 4 cửa van thông với nhau

3.3.1 Van điều khiển hướng 2/2 Van điều khiển hướng 2/2 là van 2 cửa và có 2 trạng thái ổn định. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động như hình vẽ 3.9. Đây là van thường đóng (NC - normally closed). Van này điều khiển hướng dòng chảy của dầu tùy thuộc vào vị trí điều khiển: - Khi không tác động điều khiển: cửa P và cửa A đều khóa; - Khi có tác động điều khiển: cửa P thông với cửa A cho phép dầu vào hệ thống làm việc.

A P (a)

L

A P (b)

L

Hình 3.9 Nguyên lý cấu tạo van 2/2 a-Trạng thái không tác động; b-Trạng thái tác động Nguyên lý hoạt động:Ở trạng thái bình thường, khi chưa tác động, cửa P bị khóa cho nên dầu áp lực không thể đi từ P qua A (hoặc ngược lại). Khi tác động điều khiển lên nút ấn, ti van chuyển động sang phải, mở thông cửa A và P, dầu có thể đi qua giữa 2 cửa A và P của van. A P (a)

A L

P (b)

L

Hình 3.10 Ký hiệu van 2/2 trên bản vẽ a-Khi chưa tác động; b-Khi có tác động điều khiển

183

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong thiết kế, van thủy lực nói chung có 2 loại kết cấu chính: van ống (spool valve) và van ti (poppet valve). Cấu trúc van ống như trong hình vẽ 3.9, còn hình vẽ 3.11 là cấu trúc của một van ti 2/2. A P A

P

L

(a)

(b)

Hình 3.11 Van ti 2/2 a-Cấu trúc; b-Ký hiệu Với van ti, trong ký hiệu chú ý thể hiện ti van tựa vào khoang nối với cửa nào của van. Trong hình 3.11b thể hiện mặt cônkhóa (hoặc bi khóa) của ti van tựa vào khoang nối với cửa P của van. Mặc dù ký hiệu chiều hướng của dầu như hình vẽ nhưng với van 2/2 này, việc dầu đi từ cửa A qua cửa P cũng được phép. 3.3.2 Van điều khiển hướng 3/2 Van điều khiển hướng 3/2 là van 3 cửa và 2 trạng thái ổn định như cấu trúc nguyên lý ở hình vẽ 3.12. Về cấu trúc, van có 1 cửa làm việc A, cửa bơm P và cửa T thông về két. Van này điều khiển hướng dòng chảy của dầu tùy thuộc vào vị trí điều khiển: - Khi không tác động điều khiển: cửa P khóa, cửa A thông với cửa T về két; - Khi có tác động điều khiển: cửa T khóa, cửa P thông với cửa A cho phép dầu vào hệ thống làm việc. A L T

A P (a)

L

P

T

(b)

Hình 3.12 Van 3/2 a-Nguyên lý cấu tạo; b-Ký hiệu 3.3.3 Van điều khiển hướng 4/2 Van điều khiển hướng 4/2 là van 4 cửa 2 trạng thái ổn định như thể hiện ở hình vẽ 3.13. Về cấu trúc, van 4/2 có 2 cửa làm việc A và B, cửa bơm P và cửa T thông về két. Van này điều khiển hướng dòng chảy của dầu tùy thuộc vào vị trí điều khiển: - Khi không tác động điều khiển: cửa P thông với cửa B, cửa A thông với cửa T về két;

184

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

- Khi có tác động điều khiển: cửa P thông với cửa A, cửa B thông với cửa T về két;

T

A

P

B

A

B

P

T

L

L

(a)

(b)

Hình 3.13 Van 4/2 a-Nguyên lý cấu tạo; b-Ký hiệu 3.3.4 Van điều khiển hướng 4/3 Van điều khiển hướng 4/3 là van 4 cửa 3 trạng thái ổn định. Về cấu trúc, van 4/3 có 2 cửa làm việc A và B, cửa bơm P và cửa T thông về két. Đối với van 4/3, thường thì cấu tạo là dạng van ống (spool valve). Với cấu trúc dạng van ti (poppet valve) ít dùng vì chế tạo phức tạp.

T A

P (a)

B

L

T

A

P (b)

B

L

T

A

P (c)

B

L

A

B

P

T

L

(d)

Hình 3.14 Van 4/3 a, b, c - Các trạng thái ổn định; d- Ký hiệu van Van này điều khiển hướng dòng chảy của dầu tùy thuộc vào vị trí điều khiển (theo dạng van như hình vẽ 3.14): - Khi có tác động điều khiển bên phải: cửa P thông với cửa A, cửa B thông với cửa T về két;

185

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

- Khi có tác động điều khiển bên trái: cửa P thông với cửa B, cửa A thông với cửa T về két; - Khi không tác động điều khiển: cửa P thông với cửa T, cửa A và cửa B đều khóa. Trạng thái ổn định khi không có tác động điều khiển có nhiều dạng, tùy thuộc vào cấu tạo của van. Có thể có các dạng sau: “Pump by-pass”: lúc này bơm hoạt động gần như là không tải “Closed”: các cửa của van đều khóa “H”: tất cả các cửa van thông với nhau “Working line de-pressurised”: lúc này tất cả các cửa hoạt động của van áp lực gần như bằng áp lực két “By-pass”: các cửa hoạt động đều thông với nhau và áp lực bằng áp lực hoạt động của hệ thống 3.3.5 Van thoi (shuttle valve) Một loại van điều khiển hướng khác là van thoi (shuttle valve), nó cho phép hệ thống hoạt động từ 1 trong 2 nguồn cung cấp. Một ứng dụng trong vấn đề an toàn khi bơm chính vẫn còn hoạt động khi đã khởi động bơm sự cố. Phần tử chính trong van thoi là một piston chặn hoặc bi chặn. Khi cả 2 phía có áp suất thì piston sẽ dịch chuyển về phía có áp suất nhỏ hơn. Van thoi cũng có khi được bố trí thêm 1 lò xo ở một bên để ưu tiên cho 1 phía. 2

1

1

1

1(3) 2

Hình 3.15

Van thoi

3.3.6 Các phương thức tác động van điều khiển hướng

186

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Để thay đổi trạng thái của van điều khiển hướng, có thể dùng các phương thức tác động như sau: - Phương thức tác động bằng tay hoặc tác động bằng cơ khí: với phương thức này, có thể là bằng cần gạt (hand-controlled lever), con lăn (roller plunger), núm xoay (rotaryknob), chìa khóa (key), … - Phương thức tác động bằng tín hiệu khí nén hoặc thủy lực, - Phương thức tác động bằng tín hiệu điện: đây chính là các van điện từ. Ứng dụng cơ cấu nam châm điện để hút ti van để thay đổi trạng thái hoạt động của van. Van điều khiển bằng tay hoặc tác động tự động bằng cơ khí Các loại van này dùng điều khiển khởi động, dừng và xác định hướng dòng chảy. Van điều khiển hướng cơ bản gồm các phần tử: thân van (1), phần tử tác động (2), piston điều khiển (3), và một hoặc hai lò xo phản kháng (4). Trong trường hợp không có tín hiệu điều khiển, thì lò xo phản kháng sẽ giữ piston điều khiển (3) ở vị trí ở giữa (vị trí ban đầu). Piston điều khiển (3) chuyển động đến vị trí mong muốn bởi tác động điều khiển bên ngoài.

2

1

3

4

2

(a) 1

3

ATB (P) (c)

Hình 3.16

187

3

4

3

4

AT B (P) (b)

AT B (P)

2

1

4

2

1

ATB (P) (d)

Cấu trúc một số loại van điều khiển hướng 4/3 tác động bằng tay hoặc cơ khí

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Van điều khiển bằng thủy lực hoặc khí nén(fluidic/pneumatic actuation) Loại van này là van điều khiển hướng bằng tín hiệu tác động logic thủy lực. Tương tự các loại van điều khiển hướng khác, chúng dùng điều khiển khởi động, dừng và hướng dòng chảy. 6

5

2

1

3

T

P A

Hình 3.17

4

5

6

T B

Cấu trúc van điều khiển hướng tác động bằng thủy lực

Van này cơ bản gồm các phần tử: thân van (1), một hoặc hai phần tử tác động (2) (bằng khí nén hoặc thủy lực), piston điều khiển (3), và một hoặc hai lò xo phản kháng (4). Cách lắp đường điều khiển có thể là phương thẳng đứng (5) hoặc phương nằm ngang (6). Trong trường hợp chưa có tín hiệu điều khiển, thì piston điều khiển (3) được giữ ở vị trí chính giữa hoặc vị trí ban đầu bởi lò xo phản kháng (4). Khi có tín hiệu điều khiển thì piston điều khiển (3) chuyển động đến vị trí mong muốn bởi tác động điều khiển bên ngoài. Van điện từ (solenoid valve) Van điện từ điều khiển trực tiếp: Van điều khiển hướng điện từ hoạt động điều khiển hướng bởi đặc tính chuyển mạch láng. Chúng dùng dùng điều khiển khởi động, dừng và hướng dòng chảy. Van này cơ bản gồm các phần tử: thân van (1), một hoặc hai cuộn hút (2, ti trượt điều khiển (3), và một hoặc hai lò xo phản kháng (4). Trong trường hợp chưa có tín hiệu điều khiển, thì ti trượt điều khiển (3) được giữ ở vị trí chính giữa hoặc vị trí ban đầu bởi lò xo phản kháng (4). Ti trượt điều khiển được tác động bởi lực hút của cuộn dây. Lực hút của cuộn dây (2) đặt lên phần ứng (5) của cuộn hút gắn liên kết với ti trượt điều khiển (3) và sẽ điều khiển nó dịch khỏi vị trí ban đầu đến vị trí cuối cùng mong muốn. Từ đó, cho phép dầu đi từ cửa P qua cửa A và B qua T hoặc P qua B và A qua T. Khi cuộn hút (2) mất mất điện thì ti trượt điều khiển (3) lại bị đẩy về vị trí ban đầu bởi lò xo phản kháng (4).

188

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Với loại van này cũng cho phép điều khiển trực tiếp bằng tay nhờ cơ cấu cơ khí (6).

5

2

1

3

2

5 B

A 6

6

“b”

“a” 4

4

A T B (P)

Hình 3.18

Van điện từ 4/3 điều tác động trực tiếp

Van điều khiển hướng điều khiển gián tiếp qua điện từ:Van điều khiển hướng gián tiếp thông qua van điện từ có cấu trúc như hình vẽ 3.19. Van điện từ lúc này đóng vai trò là van điều khiển (pilot valve) trong cụm van điều khiển hướng. Van điều khiển hướng cơ bản bao gồm thân van chính (1), ti trượt chính (2), một hoặc hai lò xo phản hồi (3.1) và (3.2) và van điều khiển 4 với một hoặc hai cuộn điều khiển “a” (5.1) hoặc “b” (5.2). 4

10

B

5.2

A

5.1

9

9 “b”

“a”

1 2

7

3.2

3.1

8

6

T

Hình 3.19

A

P

B

X Y

Van điều khiển hướng 4 cửa

Ti trượt chính (2) trong van chính được giữ ở vị trí “zero” hoặc vị trí ban đầu bởi lò xo hoặc bởi tín hiệu áp lực. Ở vị trí ban đầu, hai khoang chứa lò xo (6) và (8) thông qua van điều khiển (4) được nối với két và không có áp lực. Thông qua đường dầu điều 189

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khiển (7), van điều khiển được cấp nguồn dầu điều khiển. Nguồn dầu có thể lấy chung hoặc riêng với nguồn dầu van chính. Thông qua tác động của van điều khiển, ví dụ tác động vào cuộn hút “a”, ti trượt điều khiển (10) chuyển động sang trái và vì thế, áp lực điều khiển được cấp cho khoang chứa lò xo (8). Khoang (6) lúc này không có áp lực dầu. Áp lực điều khiển tác động lên phía bên trái của ti van chính (2) và đẩy nó thắng lực lò xo (3.1). Trong van chính, cửa P và cửa A vì thế nối với nhau và cửa B và T tương ứng. Khi cắt nguồn cuộn hút, ti trượt điều khiển trở về vị trí ban đầu. Khoang chứa (8) xả dầu về két. Với van này, cơ cấu tác động bằng tay trong trường hợp sự cố (9) cho phép điều khiển ti điều khiển (10) chuyển động mà không cần cấp điện cho cuộn hút. 3.4

Van điều khiển áp suất

3.4.1 Van tràn/van an toàn(pressure relief valve) Loại van điều khiển áp suất được sử dụng phổ biến nhất là van tràn. Kết cấu như hình vẽ 3.20. Van này làm việc ở chế độ thường đóng, chức năng của nó là giới hạn áp suất ở một giá trị cực đại nào đó, khi áp suất vượt quá giới hạn này thì nó mở cho dầu tràn về két cho đến khi áp suất giảm về giá trị đặt. Ta có thể hình dung van này tương tự diode zener trong chức năng bảo vệ quá điện áp. Kết cấu cơ bản của một van tràn tác động trực tiếp điền hình gồm thân van (1), lò xo nén (2), bi chặn (4) và cơ cấu điều chỉnh áp lực (5). Áp lực đặt cho hệ thống được chỉnh định bởi cơ cấu điều chỉnh (5). Lò xo nén (2) tạo lực đặt lên bi chặn ở trạng thái khóa cửa van. Cửa P của van được nối với hệ thống. Áp lực dầu trong hệ thống tác dụng lên bi chặn (4). Khi áp lực ở cửa P tăng vượt quá giá trị đặt, lực do áp lực dầu tác dụng lên bi chặn lớn hơn lực lò xo nén, cho nên bi chặn chuyển động và mở van, dầu lúc này chạy từ cửa P qua cửa T. Áp lực dầu tại cửa P giảm dần cho đến khi đạt giá trị đặt thì van khóa. Chú ý rằng độ mở của van phải đảm bảo lưu lượng cực đại của bơm tràn qua. T P T

P 5

T 1

2

4 (a)

Hình 3.20

190

(a) Van tràn; (b)Ký hiệu của van tràn

P (b)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A

B

P

T

P P

T

T Ts

M

Hình 3.21

Ứng dụng van tràn trong hệ thống thủy lực

Van tràn phức hợp có cấu trúc như trên hình 3.22. Van tràn phức hợp cơ bản gồm 1 van chính (1) với ti trượt dạng ống chính (3) và van điều khiển (2) với cơ cấu đặt áp lực. Van điều khiển (2) và van tràn tác động trực tiếp.

11 14 8 12 9 2 5 7 1 6

P 13 3

4 T

X 15

P

T

10 Hình 3.22

Van tràn phức hợp

Áp lực dầu cấp vào cửa P tác động lên ti chính (3). Cùng lúc đó, áp lực cũng được cấp về phía khoang có lò xo áp lực của ti chính (3) qua đường điều khiển (6) và (7) thông 191

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

qua lỗ phun (4) và (5), đồng thời dầu áp lực cũng tác động lên bi chặn (8) trong van điều khiển. Nếu áp lực tăng ở cửa P đến mức vượt giá trị đặt cho van thông qua lò xo (9) thì lực do áp lực tạo ra do dầu thắng lực ép lò xo do đó bi chặn (8) sẽ mở. Dầu điều khiển ở khoang phía có lò xo nén của ti van chính (3) bây giờ sẽ chảy qua đường điều khiển (7), lỗ phun (11) và bi chặn (8) vào khoang có lò xo nén (12). Từ đây, dầu được cấp thông qua đường điều khiển (13) hoặc (14) về két. Phụ thuộc vào lỗ phun (4) và (5), một áp lực rơi trên ti chính (3). Do đó, cửa P và T mở, cho phép dầu chảy về két nhằm để duy trì áp lực đặt. Hình vẽ 3.23 là một dạng van tràn tích hợp van điện từ điều khiển hướng để điều khiển hoạt động không tải của van.

A

6

B

T(P)

2 5 7 1 6

13 3

P

4

A

B

P

T

a

X 15

10 P

Hình 3.23

T

b

T

Van tràn phức hợp tích hợp van điều khiển không tải

Bằng cách kết hợp một van tràn với một van điều khiển hướng, nó có khả năng chuyển chức năng điều khiển duy trì áp suất sang hoạt động không tải (không phụ thuộc áp lực bởi tín hiệu điều khiển. Khi van điện từ ở trạng thái đóng, sẽ không có đường thông giữa khoang có lò xo nén của van điều khiển của van tràn tới cửa T của van tràn. Van hoạt động với chức năng duy trì áp lực theo giá trị đặt.

192

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Khi tác động van điều khiển hướng mở thì khoang lò xo nén của van chính (1) nối thông tới cửa T của van điều khiển hướng, và do đó, ti chính (5) dịch ra khỏi vị trí đóng và dầu có thể đi tự do từ cửa P qua cửa T của van tràn chính với áp lực rất thấp (vì cửa T nối về két. 3.4.2 Van giảm áp (pressure reducing valve) Ngược lại với van tràn là loại van có ảnh hưởng bởi đường dầu vào của van (áp suất bơm), van giảm áp là loại van được dùng có tác động đến cửa ra của van (áp suất của các phần tử thực hiện). Van này làm việc ở chế độ thường mở, được dùng để duy trì và cung cấp một áp suất thấp hơn trong một khu vực nào đó của hệ thống. Chức năng cơ bản của van này là không để cho áp suất đầu ra tăng vượt quá giá trị đặt, và về nguyên lý dầu áp lực ở đầu ra của van được đưa đến phía cuối của ti trượt và so sánh với giá trị đặt ở lò xo nén như hình vẽ 3.24. Nếu như lực do dầu thủy lực po . Ak cao hơn lực do lò xo nén FF tạo ra, nghĩa là áp lực dầu đầu ra lớn hơn giá trị đặt thì ti van dịch chuyển lên trên và khóa bớt dầu ra. Khi áp lực thấp hơn giá trị đặt, thì ti van dịch chuyển xuống và dầu đi qua van với lượng lớn nhất. Về nguyên lý, tương tự như van tràn, van giảm áp cũng có 2 loại: loại tác động trực tiếp và loại có điều khiển. FF pi po Ak

Hình 3.24

Nguyên lý cơ bản của van giảm áp

Van giảm áp tác động trực tiếp(pressure reducing valve, direct operated) Đầu tiên van sẽ ở trạng thái mở, nghĩa là có đường dầu tự do đi qua van từ cửa P qua cửa A. Cùng lúc đó áp lực trong cửa A tác động lên ti trượt thông qua đường dầu điều khiển (2) ở phía không có lò xo nén. Nếu áp lực trong cửa A vượt quá giá trị đặt ở lò xo (3) thì ti trượt điều khiển sẽ dịch chuyển và khóa bớt đường dầu ra và giữ áp lực đặt ở cửa A là một hằng số. Tín hiệu và dầu điều khiển chỉ tác động nội trong cửa ra và khoang A thông qua đường điều khiển (2). Nếu áp lực dầu ở cửa ra tiếp tục tăng do tác động của ngoại lực lên cơ cấu thực hiện, thì ti điều khiển (4) được đẩy về phía lò xo nén (3). Do đó, cửa ra A được nối thông về két qua đường điều khiển (5) ở ti điều khiển. Dầu hồi về két nhiều nhằm mục đích chống sự gia tăng thêm áp lực. 193

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Dầu rò từ khoang lò xo nén chính (6) thì luôn được hồi về két thông quacửa T(Y). Một van 1 chiều (7) có thể tích hợp vào trong van giảm áp cho phép dầu chảy tự do từ cửa A về cửaP. Và một cơ cấu chỉ thị áp lực (8) cũng có được tích hợp để thuận tiện trong việc quan sát áp lực giảm trong cửa A. 1

3

6

4 7

5

8

A A M M

B

T(Y)

P A T(Y) 2

Hình 3.25

B

T(Y)

Cấu trúc của van giảm áp

Van giảm áp có điều khiển(pressure reducing valve, pilot operated) Để hoạt động giảm áp suất với lưu lượng lớn hơn, người ta sử dụng van giảm áp cóđiều khiển. Tương tự như van tràn cóđiều khiển, mộ van tràn được tích hợp ở phía có lò xo nén của ti điều khiển của van giảm áp như hình vẽ3.26. Van điều khiển là phần tửđo của hệ thống. Đầu ra mong muốn được đặt thông qua lò xo (1) của van điều khiển. Ở trạng thái nghỉ thì van mở, nghĩa là dầu được chảy tự do từ cửa B thông qua ti chính (2) về cửa A. Áp lực được điều khiển ở cửa A sẽ tác động lên phía dưới ti chính. Cùng lúc đó, áp lực dầu cũng tác động lên khoang ở phía lò xo nén của ti chính (4) thông qua lỗ phun (3) và tác động lên bi chặn (6) trong van điều khiển (7) thông quađường điều khiển (5). Đồng thời, áp lực dầu cũng tác động lên bi chặn (6) thông qua lỗ phun (8), đường điều khiển (9), van 1 chiều (10) và lỗ giới hạn (11). Phụ thuộc vào giá trị đặt của lò xo (1), áp lực ởphía trước bi chặn (6), ở đường điều khiển (5) và trong khoang có lò xo nén của ti van chính đượcthiết lập. Áp lực này giữ cho ti điều khiển (13) ở vị trí mở tương ứng. Nếu áp lực cửa A đạt giá trị đặt của lò xo (1), thì bi chặn (6) sẽhoạt động (bi chặn ở trạng thái mở). Do đó, dầu điều khiển chạy từ đầu ra của van thông qua lỗ giới hạn (8) và (5) đến van điều khiển. Áp lực rơi tại lỗ giới hạn tác động lên ti điều khiển (13) trong van chính và làm cho ti chuyển động chống lại lực lò xo. Giá trị giảm áp mong muốn được xác định một khi có sự cân bằng giữa áp lực trong khoang A vàáp lực đặt bởi van điều khiển (7). Dầu hồi trở về két từ khoang lò xo nén của van điều khiển (14) qua đường điều khiển (15).

194

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong van giảm áp, tín hiệu điều khiển bịảnh hưởng từ 2 mạch: mạch điều khiển thứ 1 cho hoạt động bù mấtổn định do lưu lượng qua van bé và mạch điều khiển thứ 2 bùảnh hưởng đóng ở ti chính bởi lượng lớn. Mạch điều khiển thứ 1 sẽảnh hưởng từ khoang A qua lỗ phun (8), đường điều khiển (9), bi chặn (10) và lỗ phun (11) đến van điều khiển. Mạch điều khiển thứ 2 sẽảnh hưởng từ khoang A thông qua lỗ phun (3) và đường điều khiển (5) đến van điều khiển. Ảnh hưởng của các mạchđiều khiển này phụ thuộc vào mối quan hệáp lực nội trong van giảmáp tại lỗ phun (3) và (8). Ờ hầu hết các điều kiện hoạt động thì cả 2 mạch điều khiển có tác động như nhau và cùng thời điểm. Khi có lưu lượng và tốc độlớn thìáp lực rơi ở lỗ phun (8) thấp hơn ở lỗ phun (3). Để tránh việc dầu đi từ lỗ phun (3) qua lỗ phun (8) thìngời ta dùng van 1 chiều (10) cách ly mạch điều khiển 1 khỏi mạch điều khiển 2 trong trường hợp này. Một van 1 chiều cũng có thể được tích hợp trong van chính để cho phép dầu chạy tự do từ khoang A về khoang B khi áp lực ở cửa A tăng cao. Và 1 cửa đo láp lực (17) cũng có thể dùng để theo dõi hoạt động giảm áp ở cửa A. 11

10

1

6

14

7

5 18 12 13 15

3 2 9 8 a

17

a

A

B

Y

Mặt cắt a-a Không có van 1 chiều Có van 1 chiều

A B 16

Hình 3.26

Cấu trúc của van giảm áp cóđiều khiển

3.4.3 Van không tải (unloading valve) Van này được sử dụng để cho phép bơm thủy lực tạo ra một áp suất đạt tới giá trị đặt trước (có thể chỉnh được) và sau đó cho phép nó xả về két với áp suất bằng không trong 195

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

khi tín hiệu điều khiển được duy trì. Do đó, bơm lúc này làm việc ở chế độ không tải và tiết kiệm được tổn hao năng lượng. Điều này không giống như trường hợp van tràn vì với van tràn thì dầu xả về két với áp suất đặt cho nên năng lượng tiêu hao gần như cực đại.

Y1

A X B X

A Hình 3.27

B

Y

Y Cấu trúc củavan không tải

Cấu tạo cửa van không tải như hình vẽ 3.27. Ban đầu, cửa B không có áp suất và dầu áp lực của hệ thống được cấp vào cửa A với áp lực tăng dần. Thông qua lỗ giới hạn trong ti chính, áp suất này tác động lên phía bề mặt trên của ti chính, và thông qua lổ giới hạn thứ 2 ở phía trên, dầu áp lực vào khoang điều khiển. Ti van chính cân bằng được giữ trên đế tựa bởi một lò xo chính có độ cứng bé. Ở trạng thái này, dầu không đi qua van được. Lực lò xo đặt tác động lên bi chặn sẽ xác định giá trị áp lực hoạt động của van. Nếu áp lực ở cửa A tăng vượt quá giá trị đặt, bi chặn trong phần điều khiển được đẩy ra khỏi đế tựa, cho phép một lưu lượng dầu bé hồi về két. Kết quả là duy trì một áp lực qua ti chính của van. Nếu áp lực của hệ thống ở cửa A tăng vượt quá áp lực đặt thì lúc này ti chính bị nhấc lên khỏi đế tựa, cho phép dầu chạy từ cửa A qua cửa B. Vị trí ti chính bị nhấc lên chỉ đủ đề lưu lượng chạy từ cửa A qua cửa B để giới hạn áp lực vào trong cửa A thông qua giá trị đặt của phần điều khiển. Tín hiệu áp suất đến cửa X, thường thì từ một bộ phận khác của hệ thống, tác động lên piston điều khiển và đẩy viên bi xa vị trí đóng hơn làm cho áp suất phần trên của ti chính trở nên rất thấp và cho phép lưu lượng từ A qua B với áp suất rất thấp trong khi áp suất cửa X vẫn được duy trì. Khi áp lực trong cửa A giảm xuống khoảng 12 ÷ 28% dưới giá trị đặt, thì lúc này ti chính khóa ngay, và bơm sẽ cung cấp dầu áp lực cho hệ thống. 3.4.4 Van chuỗi (sequence valve) Van này được dùng để điều khiển hệ thống thủy lực hoạt động theo một chuỗi áp suất. Về cơ bản, cấu tạo van chuỗi tương tự như van tràn. 196

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Khi áp suất cửa A đạt đến giá trị đặt của van chuỗi, sẽ có lưu lượng qua cửa B thực hiện thêm một phần công việc của hệ thống. Ti lưu lượng cao (3) của của van chuỗi được điều khiển bởi lò xo gắn đầu côn. Lưu lượng ở cửa A bị khóa bởi ti này ở áp suất thấp. Tín hiệ áp suất ở A qua lỗ nhỏ lên phía trên của ti này và đến côn. Tuy nhiên, vẫn chưa có lưu lượng qua đường này cho đến khi áp suất ở A tăng đến giá trị đặt. Lúc đó ti chính (1) bị nhấc lên, lưu lượng qua B. Nó duy trì áp suất cửa A bằng giá trị đặt cho đến khi áp suất cửa B tăng lên cùng trị số. Van chuỗi cũng có thể được điều khiển từ xa thông qua cửa X. 6

Y1

3 5 4

7

A

1 B

2 A

Hình 3.28

X

Y

B

Cấu trúc van chuỗi

3.4.5 Van đối trọng (counterbalance valve) Chức năng của van này là duy trì điều khiển một xy-lanh đặt đứng không bị chuyển động xuống do trọng lực (hình 2.29).

197

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3 4 3 2

3

1

1

2

2

1 Hình 3.29

Cấu trúc van đối trọng

Cửa thứ nhất của van này nối với cửa dưới của xy-lanh, cửathứ 2 thì được nối với van điều khiển hướng. Việc đặt áp suất của van đối trọng lớn hơn một chút so với yêu cầu để tránh trường hợp "rơi" xy-lanh. Khi lưu lượng bơm qua van điều khiển hướng tới phần trên của xy-lanh, xy-lanh được ấn xuống. Điều này tạo áp suất lên cửa thứ nhất của xy-lanh làm ti van dịch lên. Việc này cho phép xả lưu lượng qua cửa thứ 2, van điều khiển hướng, về két . Khi xy-lanh dịch chuyển lên van một chiều mở cho phép lưu lượng qua tự do đẩy xylanh lên. 3

1

2

Hình 3.30 3.5

198

Ứng dụng xy-lanh đối trọng để giữ xy-lanh

Van điều khiển lưu lượng(flow control valve)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Van điều khiểnlưu lượng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ xy-lanh và động cơ thủy lực bằng cách điều khiển lưu lượng vào các cơ cấu này. Chúng có thể đơn giản như một lỗ nhỏ hoặc van kim điều chỉnh được. Van kim được thiết kế để điều chỉnh lưu lượng trong những ống nhỏ (hình 3.31).

(a)

Hình 3.31

(b)

Cấu trúc van kim

Hình 3.32 là một van điều chỉnh lưu lượng rất tiện sử dụng, dễ đặt thông số và dễ chỉnh định. Trên núm chỉnhđịnh giá trịđặt có các vạch chia nhằm thuận tiện cho việc cài đặt một cách dễ dàng. Có 2 loại van điều chỉnh lưu lượng cơ bản: van điều chỉnh lưu lượng không có bù áp suất và van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất.

A

Hình 3.32

B

Hình dạng và ký hiệu van điều chỉnh lưu lượng

3.5.1 Van điều chỉnh lưu lượng không bù áp suất Loại này được sử dụng ở những hệ thống có áp suất hầu như không thay đổi. Chúng hoạt động theo nguyên tắc giữ lưu lượng qua một lỗ nhỏ không đổi khi sụt áp không đổi. Hình 3.33 là hình vẽ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của loại van điều chỉnh áp suất kiểu này. Về cơ bản, van này có 1 van 1 chiều cho phép chất lỏng đi từ cửa B qua cửa A tự do, còn chiều ngược lại thì có điều chỉnh lưu lượng.

199

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A

B

A

B

B

(b)

(a)

Hình 3.33

A

(c)

Nguyên lý van điều chỉnh lưu lượng không bùáp suất

3.5.2 Van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất Loại van này được dùng khi tải của các cơ cấu hay thay đổi làm cho áp suất của hệ thống cũng thay đổi theo. Nó cũng có chức năng duy trì một lưu lượng cố định qua van, không phụ thuộc vào áp lực và nhiệt độ chất lỏng trong van. Hình 3.34 minh họa nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất. Trong cấu trúc có một piston để duy trì chênh lệch áp suất khoảng 20 psi trước và sau cơ cấu tiết lưu. Đường lưu lượng chính của dầu qua van có một lỗ phun có thể điều chỉnh diện tích của nó bằng một núm chỉnh bên ngoài. Tiết diện của lỗ phun này xác định lưu lượng được điều chỉnh. Piston này được giữ ở trạng thái thường mở nhờ một lò xo nhỏ. Tuy nhiên, nó bắt đầu đóng khi áp suất cửa vào tăng và vượt qua lực lò xo. Nó đóng đường dầu qua piston và vì thế khóa lưu lượng vượt quá giá trị đặt. 1 p3 Ap3

Ap2 F2

F1

2

Hình 3.34

p1

p2

Nguyên lý van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất

Nguyên lý chi tiết và cấu trúc của loại van này minh họa như hình vẽ 3.35.

200

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2

1 3 5 6 A

B

4 7 A Hình 3.35

B Van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất

Về cơ bản, gồm có thân van (1), núm xoay điều chỉnh lưu lượng qua van (2), lỗ phun (3), bộ bù áp suất (4) và có thể tích hợp thêm một van 1 chiều giữa cửa vào và cửa ra của van. Dầu chạy từ cửa A qua cửa B thông qua lỗ giới hạn điều chỉnh lưu lượng (5). Tiết diện mặt cất lỗ giới hạn được điều chỉnh bởi núm đặt (2). Để giữ cho dầu chảy qua cửa B là không đổi, không phụ thuộc vào áp lực, một bộ bù áp lực (4) được nhấc ra khỏi đế giữ của ti điều chỉnh lưu lượng (5). Lò xo nén (6) tác động một lực lên bộ bù theo chiều hướng xuống và giữ cho bộ bù áp suất (4) ở vị trí mở khi chưa có tín hiệu dầu qua van. Khi có dầu chạy qua van, áp lực ở cửa A tác động một lực lên bộ bù áp suất 4 thông qua lỗ phun (7). Bộ bù (4) dịch chuyển đến vị trí điều khiển cho đến khi lực cân bằng. Khi áp lực ở cửa A tăng lên, bộ bù dịch chuyền theo hướng đóng cho đến khi trạng thái cân bằng lực được xác lập. Do hoạt động bù áp suất liên tục cho nên lưu lượng được xác định ở giá trị cố định. 3.6

Van điều chỉnh (servo valves) Van điều chỉnh là một loại van điều khiển hướng có khả năng định vị thay đổi không giới hạn. Vì vậy nó có thểđiều chỉnh cả hướng lẫn lưu lượng dòng chảy. Van điều chỉnh kết hợp với thiết bị phản hồi cho phép điều khiển vị trí, tốc độ và gia tốc của cơ cấu rất chính xác.

3.6.1 Van điều chỉnh thủy lực kiểu cơ khí

201

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.36 vẽ van điều chỉnh kiểu cơ khí, bộ phận cơ bản là một bộ khuếch đại lực được sử dụng để điều khiển định vị. Trong thiết kế này, một lực vào nhỏ dịch chuyển ti của van điều chỉnh sang phải với một lượng nhất định. Lưu lượng dầu qua cửa P1 đẩy xylanh thủy lực sang phải. Cơ cấu phản hồi dịch chuyển ống lót sang phải cho đến khi nó khóa đường dầu vào xy-lanh. Như vậy, một chuyển dịch vào nhỏtạo ra một lượng chuyển dịch ra nhất định và điều khiển được. Cylinder Output P1

P2

Feedback link Tank

Hình 3.36

Inlet oil

Tank

Input Sliding sleeve

Van điều chỉnh thủy lực kiểu cơ khí

Một ứng dụng phổ biến nhất của van này là hệ thống máy lái thủy lực của xe hơi, tàu thủy, … 3.6.2 Van điều chỉnh thủy lực kiểu điện Trong những năm gần đây, van điều chỉnh kiểu điện được sử dụng rộng rãi. Một số loại điển hình là van điều chỉnh sử dụng động cơ moment điện, cơ cấu vòi phun kép - bản chắn và cơ cấu ti trượt. Hình 3.37 giới thiệu hình dạng ngoài và mặt cắt của một van điều chỉnh thủy lực kiểu điện. Đây là một van tỷ lệ được điều khiển bằng điện phù hợp với các loại máy móc di động và những ứng dụng điều khiển trong công nghiệp nhưcần cẩu, tay máy, xe cứu hỏa, …

Hình 3.37

Van điều chỉnh thủy lực kiểu điện

Về nguyên lý cấu tạo và hoạt động được mô tả trên hình 3.38. Động cơ moment bao gồm các cuôn dây, cực từ, mạch từ, phần ứng. Phần ứng chuyển động trong phạm vi giới hạn nhờ một ống mềm. 202

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí q

N

i1 i2

S

Nam châm vĩnh cữu Cực từ

a

Phần ứng gắn với lò xo xoắn độ cứng thấp

r xf xv

b

Vòi phun - bản chắn Lò xo phản hồi dạng lá P2p V0p

P1p V0p

Ti van chính QL Ps Nguồn

Hình3.38

QL

P1 Đường P2 Vo Vo hồi

Lỗ giới hạn cố định Ps Nguồn

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động

Ống mềm cũng có chức năng cung cấp chất lỏng làm kín khe hở giữa phần thủy lực và phần điện từ. Bản chắn nằm ngay chính giữa phần ứng và kéo dài xuống dưới, bên trong ống mềm. Vòi phun được đặt ở mỗi phía của bản chắn và vì thế sự chuyển động của bản chắn làm thay đổi độ mở của vòi phun. Dầu thủy lực được cấp vào mỗi vòi phun qua lỗ vào đặt ở cuối ti. Lưu lượng qua giai đoạn này được lọc bởi một màng 40-micron quấn quanh chuôi của ti van. Áp suất chênh lệch giữa 2 đầu của ti được thay đổi nhờ sự chuyển động của bản chắn giữa 2 vòi phun. Ti của van 4 cửa này hướng lưu lượng từ nguồn vào cửa A hoặc B một lượng tỷ lệ với khoảng dịch chuyển của ti. Ti bao gồm vài rãnh định lượng trong đường điều khiển nhưng không bị phủ hết bởi sự chuyển động của ti. Sự chuyển động của ti làm lệch kim phản hồi tạo ra một moment lên bản chắn. Lò xo tác động lên ti van khi không có áp suất điều khiển. Dòng điện trong cuộn dây của động cơ moment tạo ra một moment thuận hoặc ngược chiều kim đồng hồ tác động lên phần ứng. Moment này làm dịch chuyển bản chắn giữa 2 vòi phun. Sự chênh lệch lưu lượng vòi phun làm cho ti dịch chuyển sang trái hoặc phải. Ti van tiếp tục dịch chuyển cho đến khi moment phản hồi cân bằng với moment điện từ. Lúc này phần ứng/bản chắn trở về vị trí trung tâm, ti dừng lại và giữ nguyên vị trí cho đến khi tín hiệu điện điều khiển thay đổi. Vì vậy, vị trí của ti van tỷ lệ với dòng điện vào điều khiển. Lưu lượng qua van phụthuộc vào sụt áp trên van. Hình 3.39 là cấu trúc bên trong của một van điều chỉnh thủy lực thực tế của hãng Moog.

203

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Cuộn dây

Cực từ trên Phần ứng Cực từ dưới Bản chắn

Vòi phun Ti van Ống phản hồi

Lỗ giới hạn cửa vào P

Hình 3.39

A

T

B

X

Cấu trúc bên trong của van điều chỉnh lưu lượng kiểu điện

Nguyên lý hoạt động như sau: khi đưa dòng điện vào động cơ moment, nó định vị ti của một van điều khiển hướng. Tín hiệu đến động cơ moment được lấy từ thiếtbị điều khiển (chẳng hạn chiết áp gắn với tay điều khiển). Tín hiệu đặt

+-

Khuếch đại

Van servo

Cơ cấu thực hiện thủy lực

TẢI

Cơ cấu phản hồi (Tachometer: điều khiển vận tốc Potentionmeter: điều khiển vị trí)

Hình 3.40

Sơ đồ khối của van điều chỉnh thủy lực kiểu điện

Tín hiệu điều khiển được khuếch đại sau đó điều khiển động cơ moment của van điều chỉnh. Lưu lượng ra của của van điều chỉnh cung cấp cho cơ cấu thực hiện lai tải. Tốc độ hoặc vị trí của tải được phản hồi về dưới dạng điện tới cửa vào của van điều chỉnh thông thiết bị phản hồi là một máy phát tốc hoặc chiết áp. Như vậy, đây là một hệ thống điều khiển kín. Tín hiệu phản hồi về được so sánh với tín hiệu điều khiển, sai lệch giữa các tín hiệu này đưa đến điều khiển van điều chỉnh. Tải sẽ được điều khiển (tốc độ hoặc vị trí) cho đến khi đạt giá trị mong muốn. Lúc này sai lệch tín hiệu vào sẽ bằng 0. Van điều chỉnh thủy lực kiểu điện có thể điều khiển rất chính xác vị trí, tốc độvà gia tốc của tải. 3.7 204

Cầu chì thủy lực (hydraulic fuses)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.41 vẽ sơ đồ của một cầu chì thủy lực, nó tương tự như một cầu chì điện được dùng để chống áp suất thủy lực vượt quá giá trị cho phép bảo vệ các phần tử trong mạch thủy lực không bị hư hỏng. Khi áp suất thủy lực vượt quá giá trị thiết kế thì một đĩa kim loại mỏng bị đánh thủng và cho phép dầu hồi về két. Sau khi bị đánh thủng, cũng như cầu chì điện chỉ hoạt động một lần, ta phải thay đĩa mới trước khi hoạt động lại. Đường dầu về két

Áp lực dầu vào

Đĩa kim loại mỏng

Hình 3.41

Cầu chì thủy lực

Cầu chì thủy lực

Cầu chì thủy lực được sử dụng chủ yếu với bơm bù áp suất để bảo vệ quá tải nếu như điều khiển bù của bơm bị hỏng.

Hình 3.42

Hình dạng cầu chì thủy lực PSI

Ở đây ta thấy rằng cầu chì thủy lực tương tự cầu chì điện vì chỉ tác động một lần còn van tràn thì tương tự CB điện vì có thể hoàn nguyên lại. 3.8

Chuyển mạch áp suất Chuyển mạch áp suất là một thiết bị tự động cảm biến sự thay đổi của áp suất và mở hoặc đóng phần tử chuyển mạch điện khi áp suất này đạt đến giá trị đặt trước. Phần tử cảm biến áp suất là một bộ phận của chuyển mạch áp suất và nó dịch chuyển theo sự thay đổi của áp suất. Có 4 loại cảm biến áp suất như sau.

3.8.1 Loại màng (diaphragm): (hình 3.43) Hình 3.43 giới thiệu một loại chuyển mạch áp suất dạng màng.

205

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1

2

3

6 5

Hình 3.43

Chuyển mạch áp suất loại màng

Cảm biến áp suất loại màng này có thể hoạt động với dải áp suất từ 2 đến 10.3 bar, độ chính xác ±1%. Nó bao gồm một màng kim loại kín tác động trực tiếp lên lẫy của chuyển mạch. Các phần tử chính gồm: 1-Vít chỉnh đặt giá trị áp lực; 2-Vỏ; 3-Công tắc chuyển mạch điện; 5-Đường áp lực vào; 6-Màng kim loại; 3.8.2 Loại ống Bourdon (Bourdon tube): (hình 3.44)

Hình 3.44 Chuyển mạch áp suất kiểu ống Bourdon 1-Vỏ, 2-Ống bourdon; 3-Cơ cấu chuyển mạch; 4-Công tắc chuyển mạch Chuyển mạch áp suất kiểu ống Bourdon có thể hoạt động với áp suất thay đổi từ 50 đến 18.000 psi. Nó bao gồm một ống Bourdon kín tác động trực tiếp lên lẫy của chuyển mạch. Cấu trúc cơ bản bao gồm: vỏ 1, ống Bourdon 2 với cơ cấu truyền động chuyển mạch 3, công tắc chuyển mạch 4 và phần tử điều chỉnh.

206

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Chuyển mạch áp suất có nhiệm vụ đóng hoặc mở mạch điện điều khiển phụ thuộc vào áp suất vào. Áp lực vào chuyển mạch được giám sát thông qua ống Bourdon 2. Ống Bourdon uốn cong và cơ cấu tác động 3 sẽ truyền chuyển động của ống Bourdon đến công tắc chuyển mạch 4. Công tắc này sẽ đóng mở mạch điện phụ thuộc vào giá trị đặt áp lực tác động cho chuyển mạch. Giá trị áp lực tác động có thể được chỉnh định thông qua một núm chỉnh định bên ngoài. Thông thường, các núm chỉnh định này được khóa lại sau khi chỉnh định xong giá trị đặt. 3.8.3 Loại piston kín (sealed piston): (hình 3.45) Chuyển mạch áp suất kiểu piston kín có thể hoạt động với áp suất từ 15 đến 12.000 psi. Piston tác động trực tiếp lên lẫy của chuyển mạch. Cấu trúc và hình dạng điển hình của một loại công tắc áp lực dạng này như hình vẽ 2.xx. Cơ bản gồm các phần tử vỏ (1), piston (2), lò xo nén (3), cơ cấu điều chỉnh (4) và công tắc chuyển mạch (5).

Hình 3.45

Chuyển mạch áp suất kiểu piston kín

Nguyên lý hoạt động: nếu như áp lực vào thấp hơn giá trị đặt thì công tắc chuyển mạch 5 hoạt động. Áp lực vào thông qua lỗ giới hạn 7 và tác động lên phía bên trái của piston 2. Piston 2 tác động lên đĩa lò xo 6 và tác động chống lại lực nén của lò xo 3. Đĩa lò xo 6 chuyển đổi chuyển động của lò xo 2 đến công tắc chuyển mạch 5 và sẽ nhả lẫy truyền động khi áp lực đạt giá trị đặt. Do đó, mạch điện ngoài sẽ đóng hoặc mở theo tùy ứng dụng cụ thể. 3.8.4 Loại kết hợp piston kín-màng: (hình 3.46) Chuyển mạch áp suất loại piston-màng có thể hoạt động với áp suất từ 0.5 đến 1,600 psi. Loại này có độ chính xác và tuổi thọ cao. Các phần tử chuyển mạch điện trong chuyển mạch áp suất đóng hoặc mở mạch điện theo lực tác động mà chúng nhận được từ cảm biến áp suất.Có 2 loại phần tử chuyển mạch: thường mở (normally open - NO) và thường đóng (normally closed - NC). Như vậy, chuyển mạch áp suất có 3 cực điện: cực chung C (common), NC, NO. Các phần tử chính: 1-Công tắc chuyển mạch điện; 2-Phần tử màng và piston; 3-Đường nối áp lực vào; 4-Vít chỉnh đặt áp lực; 5-Vỏ. 207

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

1

5

2 4

Hình 3.46 3.9

3

Chuyển mạch áp suất loại piston màng

Chuyển mạch nhiệt độ (temperature switches) Chuyển mạch nhiệt độ là thiết bị tự động cảm biến sự thay đổi của nhiệt độ và mở hoặc đóng mạch điện khi nhiệt độ đạt đến giá trị đặt trước. Thông thường, chuyển mạch nhiệt độ là các thiết bị tự reset (tự hồi trạng thái khi nhiệt độ dưới/trên ngưỡng đặt). Hình 3.47giới thiệu một thiết bị chuyển mạch nhiệt độ với dải hoạt động từ -60 đến +150 độ, ống mao dẫn dài 2m. Các phần tử: 5. Núm đặt nhiệt độ; 9. Bảng chỉ thị giá trị đặt; 11. Lỗ vào cáp điện PG13.5; 12. Lò xo chính; 14. Cọc đấu dây bên trong; 15. Trục xoay chính; 16. Công tắc chuyển mạch điện; 17. Ống lót dẫn hướng; 18. Lẫy chuyển mạch; 19. Ốc đặt sai lệch nhiệt độ (chỉnh diff.); 23. Phần tử ống xếp; 25. Lỗ bắt ốc giữ thiết bị; 26. Kẹp giữ đầu cảm biến nhiệt; 28. Ống mao dẫn; 29. Đầu cảm biến nhiệt; 38. Cọc tiếp mát; 44. Trục xoay đặt nhiệt độ. Phần tử điều chỉnh chính bao gồm: một cảm biến 29, ống mao dẫn 28 và ống xếp 23. Phần tử này hoạt động phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ ở cảm biến nhiệt theo nguyên lý giãn nở vì nhiệt của công chất. Áp lực do công chất tạo ra trong phần tử này tác động lên chuyển động của ống xếp tăng khi nhiệt độ tăng. Khi xoay núm đặt 5, lò xo chính 12 sẽ tạo một lực ép cân bằng với nhiệt độ trong phần tử. Khi nhiệt độ tăng, cảm biến sẽ tác động lên ống xếp và làm cho trục chính 15 chuyển động hướng lên cho đến khi cân bằng với lực lò xo. Trục chính 15 được lắp với ống lót dẫn hướng 17 và một ốc đặt sai lệch nhiệt độ 19. Chúng sẽ truyền chuyển động của trục chính đến công tắc điện 16. Trên đỉnh của chuyển mạch nhiệt độ có một vít chỉnh nhiệt độ đặt. Đầu cảm biến ở dưới được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ. Cũng như chuyển mạch áp suất, chuyển mạch nhiệt độ có 3 cực điện (C, NO, NC).

208

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5 25 9

26

10

44

11

12

14

15

17

29

16 18 19 23 38

25

28

Hình 3.47

Chuyển mạch nhiệt độ

Một cảm biến nhiệt độ đặc biệtsẽ kết hợp với một thiết bị bù để loại bỏ những hiệu ứng phụ do ảnh hưởng của môi trường xung quanh. 3.10

Thiết bị giảm chấn thủy lực(Shock absorber) Chức năng của giảm chấn thủy lực là đưa tải chuyển động dừng lại một cách nhẹ nhàng. Nguyên lý chung của thiết bị giảm xóc thủy lực là chuyển đổi động năng thành nhiệt năng và lượng nhiệt năng này tỏa ra ngoài môi trường xung quanh thiết bị. Giảm chấn thủy lực sử dụng dầu thủy thực trong xy-lanh cho nên có thể lắp đặt với vị trí hay góc nghiêng nào đều được. Cơ cấu lò xo hồi trong giảm chấn hoàn toàn độc lập, và có cấu trúc đơn giản. Thiết bị hoạt động không cần ống dầu, van hay thiết bị nào bên ngoài. Nguyên lý chung thiết bị giảm chấn thủy lực cơ bản thông qua các lỗ phun thủy lực bên trong nó. Các lỗ phun này có thể là không thay đổi hoặc điều chỉnh được. Khi tải chuyển động tác động lên đệm giảm chấn thì nó làm cho cần piston và piston chuyển động. Piston chuyển động sẽ đẩy dầu thủy lực chảy qua các lỗ phun từ khoang áp lực cao vào khoang áp lực thấp trong nó. Sức cản lưu lượng dầu gây ra bởi các lỗ phun tạo thành áp lực chống lại piston theo chiều ngược lại với chuyển động của tải. Ở cuối hành trình, tải chuyển động nhẹ nhàng đến vị trí nghỉ và áp lực trong các khoang cân bằng và về giá trị zero. Điều này dẫn đến là tải sẽ giảm tốc độ một cách đều đặc và dừng nhẹ nhàng mà không có hiện tượng dao động do xung lực tạo thành.

209

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Quá trình minh họa như hình vẽ 3.48 sau.

Hình 3.48

Nguyên lý hoạt động của giảm chấn thủy lực

Hình 3.49 và 3.50 giới thiệu hình dạng và cấu trúc chi tiết bên trong của một thiết bị giảm chấn.

Hình 3.49 FATIGUE-TESTED RETURN SPRING

Hình dạng ngoài của giảm chấn thủy lực PRECISION-HONED, SEAMLESS STEEL METERING TUBE EFFICIENT ROD SEAL

MATHEMATICALLY CALCULATED KNIFE-EDGE ORIFICES

LARGE OIL RETURN PASSAGES

BRONZE BEARING GLAND CHROME PLATED ROD HARDENED

LEAKPROOF S.A.E. PORT PLUGS

HARDENED & TEMPERED PRESSURE SAFE TUBE SEALS

ENVIRONMENT TESTED ROD SCRAPER VIBRATION-PROOF FASTENINGS USED THROUGHOUT LONG-WEARING BRONZE PISTON

ONE-PIECE STEEL HEADS CELLULAR ACCUMULATOR

LONG-WEARING SPRING GUIDE

Hình 3.50 210

FOLLOWER

PISTON RING-CHECK VALVE

HIGH STRENGTH ALLOY STEEL TIE RODS

Cấu trúc giảm chấn thủy lực

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3.11

Phao mức chất lỏng (floating sensor/switch) Các công tắc mức chất lỏng được dùng trong điều khiển khởi động - dừng bơm, đóng/mở van hoặc trong hệ thống báo động, … Thông thường các loại phao mức chất lỏng ứng dụng hoạt động của nam châm tác động chuyển đổi trạng thái tiếp điểm. Hình 3.xx giới thiệu cấu trúc của một phao mức sử dụng nam châm.

5 6

8 7

4

3 2 1

10

9

Hình 3.51

Hình dạng ngoài và cấu trúc phao mức

Cấu trúc cơ bản gồm: 1-Nắp hộp đấu dây; 2-Nối mát vỏ; 3-Thân phao; 4-Hộp đấu dây; 5-Nối mát trong; 6-Phao; 7-Thanh nối; 8-Nam châm; 9-Đầu dây vào; 10-Ốc lắp cảm biến;

CHƯƠNG 4 CÁC PHẦN TỬ THỰC HIỆN TRONG HỆ THỐNG THỦY LỰC Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên nguyên lý hoạt động, cấu tạo các loại xy-lanh, động cơ thủy lực.

211

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

(0,5.0.3) 4.1

Khái niệm chung Ngày nay, cả động cơ thủy lực và xy-lanh thủy lực là các cơ cấu thực hiện chính trong hệ thống thủy lực để chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ. Các phần tử thực hiện này là các thiết bị liên kết giữa mạch thủy lực và máy công cụ sản xuất. Động cơ thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực sang cơ năng dưới dạng chuyển động quay, còn xy-lanh thủy lực chuyển năng lượng thủy lực sang chuyển động tịnh tiến. Do tính chất này nên người ta có thể coi xy-lanh thủy lực như là một động cơ thủy lực tuyến tính.

4.2

Xy-lanh thủy lực Xy-lanh thủy lực khác động cơ thủy lực cơ bản ở chỗ là xy-lanh thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến và truyền lực cho máy sản xuất; còn động cơ thủy lực tạo chuyển động quay và momen cho máy sản xuất. Nếu bỏ qua ma sát, thì lực tối đa mà xy-lanh có thể tạo ra phụ thuộc vào áp lực hoạt động cực đại p và tiết diện tác dụng A của xy-lanh: F = p ∙ A (kN) Nếu máy sản xuất cần các chuyển động tịnh tiến, và sử dụng các xy-lanh thủy lực thì sẽ có các thuận lợi sau: - Thiết kế đơn giản với truyền động trực tiếp bằng xy-lanh thủy lực, dễ dàng bố trí và lắp đặt. - Khi dùng xy-lanh thủy lực thì hiệu suất sẽ cao hơn rất nhiều so với cách chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khi dùng động cơ điện, khí nén hay thủy lực. - Lực tạo ra bởi xy-lanh thủy lực sẽ duy trì không đổi kể từ khi bắt đầu cho đến khi kết thúc hành trình hoạt động của xy-lanh. - Tốc độ của piston phụ thuộc vào lưu lượng dầu vào và diện tích tác động; nó cũng là một hằng số trong suốt hành trình. - Tùy thuộc vào chủng loại, xy-lanh thủy lực có thể tạo ra lực kéo hoặc lực đẩy phù hợp với hầu hết các ứng dụng trong thực tế. - Với cùng công suất ra cho các máy công cụ thì thiết bị thủy lực có kích thước thiết bị nhỏ hơn so với các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng khác. Các chuyển động nâng, hạ, khóa, vận chuyển tải là các ứng dụng chính của xy-lanh thủy lực.

Phân loại Theo số chiều tác dụng, có thể chia xy-lanh thủy lực thành 2 loại sau đây:

212

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

- Xy-lanh tác động đơn (tác động một phía). Chất lỏng làm việc chỉ tác động ở một phía của piston, tạo nên chuyển động một chiều. - Xy-lanh tác động kép (tác động hai phía). Chất lỏng làm việc tác dụng lên cả hai phía của piston, tạo nên chuyển động hai chiều. 4.2.1 Xy-lanh tác động đơn Nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 4.1.

Hình 4.1

Xy-lanh tác động đơn

Xy-lanh tác động đơn chỉ có thể tạo ra lực về một phía. Piston chỉ có thể trở về bởi tác dụng của lực lò xo hoặc ngoại lực.

A

A

B Hình 4.2

B

Xy-lanh tác động đơn trở về nhờ tác dụng lò xo

4.2.2 Xy-lanh tác động kép Xy-lanh tác động kép có 2 đường ống dầu điều khiển riêng biệt. Khi cấp dầu điều khiển vào cửa “A” hoặc cửa “B”, piston sẽ chuyển động tạo lực kéo hoặc lực đẩy theo 2 hướng của hành trình. Hầu hết các ứng dụng sử dụng xy-lanh thủy lực dùng loại này. Nhóm này có thể được chia làm 2 loại: - Xy-lanh có cần một phía (single rod cylinder). - Xy-lanh có cần hai phía (double rod cylinder). Xy-lanh có cần một phía Nguyên lý cơ bản như hình vẽ 4.3.

213

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 4.3

Xy-lanh tác động kép có cần 1 phía

Trong hầu hết các ứng dụng, người ta sử dụng loại xy-lanh tác động kép có cần 1 phía. Về cấu trúc, xy-lanh có 1 piston được nối cứng với cần piston có tiết diện nhỏ hơn piston. Với loại này, diện tích tác dụng là khác nhau ở 2 phía. Và do đó, với cùng một áp lực làm việc thì lực do xy-lanh tạo ra trong hành trình ra lớn hơn khi thực hiện hành trình vào. Nhưng tốc độ dịch chuyển thì ngược lại do thể tích 2 khoang làm việc khác nhau. Để tránh tác động của xung lực lớn cuối hành trình người ta dùng các xy-lanh có giảm chấn cuối hành trình như hình 4.4.

Hình 4.4

Xy-lanh tác động kép có giảm chấn cuối hành trình

Xy-lanh có cần hai phía Nguyên lý cơ bản như hình vẽ 4.5.

Hình 4.5

Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía

Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía có một piston và được nối cứng với 2 cần piston về 2 phía. Các cần piston có tiết diện bằng nhau và nhỏ hơn tiết diện của piston. Lực tác động phụ thuộc vào diện tích tác dụng và áp lực hoạt động của hệ thống. Với kết cấu loại này, lực và tốc độ dịch chuyển của xy-lanh là như nhau ở 2 phía.

214

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong một số ứng dụng đặc biệt, xy-lanh tác động kép có cần 2 phía có thể được chế tạo với tiết diện của cần piston là khác nhau như hình vẽ 4.4.

A

Hình 4.6

B

Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía với tiết diện khác nhau

Với loại này, lực và tốc độ của piston tỷ lệ với sự sai khác tiết diện của cần piston. 4.2.3 Xy-lanh đặc biệt Xy-lanh nối đôi (Tandem cylinders)

B1

A1

Hình 4.7

A2

B2

Xy-lanh nối đôi

Loại xy-lanh này thực chất là 2 xy-lanh nối lại với nhau theo cách cần piston của xylanh thứ nhất đẩy piston của xy-lanh thứ 2. Với cách thiết kế này, lực tác dụng được tăng lên đáng kể dù tiết diện piston và cần piston nhỏ. Tuy nhiên, loại này cần chiều dài lớn trong lắp đặt. Xy-lanh lồng (Telescopic cylinder) Muốn có hành trình làm việc của piston lớn người ta dùng xy-lanh lồng. Xy-lanh lồng khác xy-lanh “thông thường” ở chỗ chúng chỉ cần một không gian lắp đặt rất nhỏ khi thu về so với xy-lanh “thông thường” có cùng hành trình làm việc. Không gian lắp đặt được giảm đi nhờ vào cấu trúc cần piston lồng vào nhau của xy-lanh. Chiều dài xy-lanh khi thu về có thể bằng một nửa hoặc nhiều hơn. Xy-lanh lồng được dùng trong cơ cấu nâng hạ thủy lực, bệ nâng, xe nâng, … Xy-lanh lồng tác động đơn (Single acting telescopic cylinders)

215

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Nếu xy-lanh được cung cấp tín hiệu vào cửa vào thì các piston sẽ dịch chuyển tuần tự. Áp lực điều khiển phụ thuộc vào tải và diện tích tác dụng của piston xy-lanh. Do đó, piston có diện tích tác dụng lớn nhất sẽ chuyển động ra trước. Với cùng một giá trị áp lực và lưu lượng dầu điều khiển không đổi thì piston dịch chuyển ra với lực tác động lớn nhất cùng tốc độ thấp nhất và kết thúc với chuyển động với lực nhỏ nhất cùng tốc độ cao nhất.

A

C F

D

B

A F

Hình 4.x

Xy-lanh lồng tác động đơn

Điều khiển xy-lanh dịch chuyển ra: Dầu áp lực cao từ nguồn qua van điều khiển đưa vào cửa A của xy-lanh. Nếu trong khoang làm việc B của xy-lanh có lẫn không khí thì lượng khí này sẽ xả ra ngoài qua cửa thoát khí C. Nói chung, việc thoát khí chỉ cần thiết trong khi khởi động ban đầu hoặc với hệ thống cho phép khí vào trong dầu thủy lực. Điều khiển xy-lanh dịch chuyển vào: Xy-lanh tác động đơn thực hiện hành trình vào nhờ tác động của trọng lượng piston hoặc tác động cơ khí bên ngoài (lực F). Với điều kiện hoạt động bình thường thì piston có diện tích tác dụng nhỏ nhất được đẩy vào trước, đẩy dầu thủy lực trong khoang làm việc ra ngoài qua cửa A, sau đó là đến piston có diện tích nhỏ nhất kế tiếp. Xy-lanh lồng tác động kép (Double acting telescopic cylinders) Với xy-lanh lồng tác động kép thì xy-lanh thực hiện hành trình ra tương tự như xy-lanh tác động đơn. Trình tự thực hiện hành trình ra phụ thuộc vào độ lớn diện tích tác dụng và tải của xy-lanh. Piston có diện tích tác dụng lớn nhất sẽ trở về trước khi có tín hiệu dầu điều khiển vào cửa “B”. 216

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Stop ring

C

A

F B Stop ring A C

D

Hình 4.x

B

Xy-lanh lồng tác động kép

4.2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của xy-lanh thủy lực Dưới đây là sơ đồ cấu tạo các bộ phận của một xy-lanh thủy lực tiêu chuẩn.

11 10

9

8

7

6

5

12 Hình 1

4 3 2 1

12

Cấu tạo bên trong của xy-lanh thủy lực

Cấu tạo gồm các phần tử chính cơ bản sau:1- Cần piston; 2- Cover; 3- Guide bush; 4Cylinder head; 5- Thân xy-lanh; 6- Cushioning bush; 7- Piston; 8- Cylinder cap; 9Damping ring; 10- Nut; 11- Tie rod; 12- Bộ gioăng phớt làm kín (Wiper, Piston rod seal, Piston seal, O-ring, Guide ring). Nguyên lý hoạt động dựa trên các phương trình sau: p= Trong đó 217

P= áp suất dầu vào xy-lanh F= lực sinh ra trên cần piston A = tiết diện piston Q = lưu lượng dầu vào xy-lanh v = vận tốc piston

F , A

Q = A. v

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Diện tích piston có thể tính theo công thức: Phía không có cần piston: A=

D2 4

Phía có cần piston: (D2 − d2 ) A= 4 Với D là đường kính piston, d là đường kính cần piston. Một đại lượng quan trọng khác là hiệu suất của xy-lanh. Nếu như các đệm kín không hở, có thể xem hiệu suất thể tích v bằng 100%. Nói cách khác, nếu như có sự rò rỉ dù ở trong hay ở ngoài xy-lanh thì nó vẫn bị xem như có khuyết tật. Hiệu suất cơ khí m phụ thuộc vào loại đệm kín mà người ta sử dụng cũng như vào độ nhám của cần piston và vách trong của thành xy-lanh, nó cũng phụ thuộc khá nhiều vào áp suất hoạt động. Dưới đây là các giá trị thông thường: p

20 0.85

m

120 0.90

160 0.92

Từ bảng trên ta thấy, hiệu suất tăng khi áp suất tăng. Điều này có thể giải thích: Mặc dù tổn thất do ma sát tăng khi áp suất tăng nhưng % của tổn thất do ma sát so với sức nâng là giảm. 4.3

Động cơ thủy lực Rotary actuators output a swivel movement via a shaft whenpressurised with fluid regardless of the type or design ofthe unit. The angle the rotary actuator moves through islimited by fixed or adjustable stops. Hence the range ofapplications in which rotary actuators may be used is limited.

The compact and robust design and the possibility oftransferring large torques makes the rotary actuator particularlyuseful for applications under rough operatingconditions.

Hình 4.x Phân loại: 218

Ký hiệu động cơ thủy lực trên bản vẽ

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

-

Động cơ cánh gạt Động cơ piston hướng kính và hướng trục Động cơ bánh răng

4.3.1 Động cơ bánh răng Nguyên lý cấu tạo và hoạt động được minh họa như hình vẽ 4.x. Trục động cơ

Hình 4.x

Nguyên lý hoạt động động cơ bánh răng

Thông số đặc trưng cho động cơ bao gồm: Q - lưu lượng (l/min) M - momen (Nm) P - công suất (kW) V - (cm3/rev) n - tốc độ Dp - áp suất (bar) Hiệu suất: v - hiệu suất thể tích (khoảng 0,97) m - hiệu suất cơ khí (khoảng 0,88) t - hiệu suất tổng; t = v + m (khoảng 0,85) Các công thức tính toán cho động cơ: V(cm3 ⁄rev) ∙ n ∙ 103 (l⁄min) Q= v Dp(bar) ∙ V(cm3 ⁄rev) ∙ m (Nm) M= 62,83 P=

Dp(bar) ∙ V(cm3 ⁄rev) ∙ n ∙ t 600 ∙ 1000

Cấu trúc động cơ như hình vẽ 4.x sau:

219

(kW)

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

4.3.2 Động cơ cánh gạt Chuyển động quay của trục động cơ được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất dầu thủy lực chạy qua động cơ do tạo ra lực tác động lên các cánh gạt trong rotor. Lực này tác động theo phương tiếp tuyến với rotor và làm cho rotor quay, truyền chuyển động quay ra trục động cơ. Nếu dầu thủy lực được cấp vào động cơ qua cửa của thân động cơ (như hình vẽ 4.xb) thì trục động cơ sẽ quay theo cùng chiều kim đồng hồ. Ngược lại, nếu dầu áp lực được cấp vào cửa vỏ động cơ thì chiều quay của trục là theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (như hình vẽ 4.xa). Việc chuyển đổi đường cấp nguồn dầu áp lực được thực hiện bởi các van điều khiển hướng đã học trong chương 3. Vỏ

Xả về két chứa

Thân

Chiều quay

Hình 4.x

Vỏ

Xả về két chứa

Thân

Chiều quay

c

Oil entering the inlet port (see Figure 2) is divided by internalcoring and is directed into chambers between the vanesthrough kidney slots A and A1 (see Figure 3). The 220

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

chambersbetween vane 1 and vane 3 are supplied with high-pressureoil from ports A and A1. The chambers between vane 3 andvane 5 are at a lower pressure because they are open todischarge ports B and B1 which are connected to the tank. This clockwise rotation of the rotor and vane assembly resultsfrom the difference in pressure across vane 3. Themaximum pressure in ports A and A1 is a function of the loadthe motor must turn. It can be readily seen from Figure 3 thatif the direction of flow is reversed, B and B1 will becomepressure chambers and the direction of shaft rotation will bereversed.

Áp lực cao (Inlet port) Chiều quay

A

B

Cánh gạt Rotor Lò xo Vành trượt

B1

A1

Áp lực hồi (Discharge port)

Hình 4.x 4.3.3 Động cơ piston Động cơ piston hướng trục Fix displacement

Variable displacement

221

c

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Van đĩa

Piston

Đường dầu ra

Trục quay

Đường dầu vào

Đĩa nghiêng Xy-lanh

Động cơ piston hướng kính Fix displacement version

222

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Đường trục Vỏ động cơ

Đường dầu ra Trục quay

Xy-lanh

223

Đường dầu vào Piston Vành trượt

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH THỦY LỰC

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên kỹ năng đọc, phân tích, thiết kế các mạch điều khiển thủy lực. (2.10.3) 5.1

Khái niệm chung Một mạch thủy lực bao gồm một tổ hợp các phần tử như bơm, các cơ cấu thực hiện, các van điều khiển, … kết hợp với nhau để thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Khi phân tích hoặc thiết kế một mạch thủy lực, cần chú ý các yêu cầu sau: 1. Hoạt động an toàn. 2. Thực hiện được các chức năng yêu cầu. 3. Hoạt động hiệu quả. Mạch thủy lực bao gồm ký hiệu của các phần tử thủy lực liên kết với nhau mô tả đầy đủ bản chất của một hệ thống thủy lực tương ứng. Do đó để hiểu mạch thủy lực yêu cầu phải nắm rõ các ký hiệu của các phần tử thủy lực. Bảng 3.1 là một bảng các ký hiệu này theo Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ ANSI (American National Standards Institute). Bảng 3.1

Ký hiệu ANSI các phần tử thủy lực

LINES ANS LINE FUNCTION Line, working Line, pilot Line, drain Connector Line, flexible Line, joining Line, passing Direction of flow - Hydraulic - Pneumatic Line to reservoir - Above fluid level - Below fluid level Line to vented manifold 224

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí Plug or plugged connection Restriction, fixed Restriction, variable

5.2

Điều khiển xy-lanh tác động đơn Hình 3.1 vẽ một van điều khiển hướng hồi lò xo, tác động tay, 3 cửa, 2 vị trí có thể được dùng để điều khiển một xy-lanh tác động đơn. Ở vị trí lò xo hồi tác động thì toàn bộ lưu lượng hồi về két qua van tràn, lò xo của piston đẩy piston vào và nén dầu trong xy-lanh về két. Khi tác động ON lên cần điều khiển thì dầu cấp vào xy-lanh. Khi piston ra hết thì lưu lượng qua van tràn về két. Tác động OFF lên cần điều khiển thì piston lại rút về dưới tác động của lực lò xo.

Hình 3.1 5.3

Điều khiển xy-lanh tác động đơn

Điều khiển xy-lanh tác động kép Hình 3.2 mô tả mạch điều khiển xy-lanh tác động kép. Hoạt động của mạch này như sau: 1. Khi van 4 cửa ở vị trí trung tính (lò xo giữa), xy-lanh bị khóa thủy lực. Bơm hoạt động ở chế độ không tải đưa dầu về két.

225

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

2. Khi tác động lên cần điều khiển bên trái của van 4 cửa, dầu từ cửa P qua cửa A tác động xy-lanh thực hiện hành trình ra (ngược chiều với lực tác động của tải), dầu ở phần bên phải của xy-lanh hồi tự do về két qua cửa B và T. Chú ý rằng xylanh không thể ra hết nếu như lượng dầu này không được hồi về két. 3. Khi tác động một lần nữa lên cần điều khiển bên trái của van 4 cửa này thì lò xo giữa sẽ tác động khoá thủy lực xy-lanh. 4. Khi tác động lên cần điều khiển bên phải của van 4 cửa, dầu từ cửa P qua cửa B tác động thực hiện hành trình về của xy-lanh. Dầu ở phần bên phải của xy-lanh hồi về két qua cửa A, T. 5. Cuối mỗi hành trình, nếu không có lệnh điều khiển thì dầu từ bơm sẽ hồi về két qua van tràn khi áp suất ra của bơm vượt quá giá trị đặt của nó. Trong một vài trường hợp van này bảo vệ quá tải cho xy-lanh. 6. Van một chiều bảo vệ không cho xy-lanh rút về khi lực tải vượt quá lực tác động của xy-lanh.

Hình 3.2 5.4

A

B

P

T

Điều khiển xy-lanh tác động kép

Mạch hồi tiếp Hình 3.3 vẽ mạch hồi tiếp được sử dụng để tăng tốc độ hành trình ra của xy-lanh tác động kép. Chú ý rằng cả 2 đầu của xy-lanh thủy lực được nối song song và như thế một cửa của van điều khiển bị đóng lại. Khi tác động lên cần điều khiển bên trái, xy-lanh dịch chuyển ra. Tốc độ ra của xy-lanh lớn hơn so với xy-lanh tác động kép thông thường vì lưu lượng tác động lúc này bằng tổng lưu lượng của bơm và lưu lượng hồi vềtừ phần bên phải của xy-lanh.

226

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A

B

P

T

Hình 3.3 5.5

Mạch hồi tiếp

Mạch không tải của bơm Hình 3.4 vẽ một mạch sử dụng van không tải để điều khiển bơm hoạt động ở chế độ không tải. Van không tải mở khi xy-lanh ở cuối hành trình ra vì van một chiều giữ dầu áp suất cao trong đường điều khiển của van không tải. Khi van điều khiển hướng tác động dịch xy-lanh vào, chuyển động của piston làm giảm áp suất trong đường điều khiển của van không tải. Điều này hoàn nguyên cho van không tải cho đến khi xy-lanh vào hết. Vì vậy, van không tải điều khiển bơm hoạt động ở chế độ không tải ở cuối cả 2 hành trình.

227

A

B

P

T

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Mạch không tải của bơm

Hình 3.4 5.5

Hệ thống 2 bơm Hình 3.5 vẽ mạch sử dụng một bơm lưu lượng thấp, áp suất cao kết hợp với một bơm lưu lượng cao, áp suất thấp. Một ứng dụng điển hình là máy đột dập trong đó búa dập phải thực hiện hành trình ra nhanh qua một khoảng cách lớn với yêu cầu lưu lượng cao, áp suất thấp. Tuy nhiên, tại thời điểm dập thì yêu cầu áp suất phải cao. Vì hành trình của xy-lanh khi dập rất nhỏ nên yêu cầu về lưu lượng thấp. Trên hình vẽ không cần phải dùng một bơm lưu lượng cao, áp suất cao đắt tiền. Khi bắt đầu thao tác dập, áp suất tăng mở van không tải điều khiển bơm áp suất thấp hoạt động không tải, mục đích của van tràn là bảo vệ bơm áp suất cao khỏi bị quá áp ở cuối mỗi hành trình. Van một chiều bảo vệ cho bơm áp suất thấp khỏi bị áp suất cao tống vào, điều này xảy ra trong khi dập, tại cuối mỗi hành trình của xy-lanh và khi van điều khiển hướng ở vị trí trung tính.

LOW FLOW PUMP

1

B

P

T

2 HIGH FLOW PUMP

Hình 3.5 5.6

A

Hệ thống 2 bơm

Mạch khuếch đại áp suất Một phương pháp để loại bỏ bơm lưu lượng thấp, áp suất cao khi đột dập là sử dụng bộ khuếch đại áp suất (1) (hình 3.6, 3.7). Trong mạch 3.6 cũng sử dụng van một chiều có điều khiển (2) và van chuỗi (3). Áp suất rất cao có thể được tạo ra bằng một bộ khuếch đại áp suất với một bơm áp suất thấp. Bộ khuếch đại được đặt càng gần với đường ống áp suất cao càng tốt.

228

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Một bộ khuếch đại áp suất tự động được minh họa trên hình 3.7. Khi áp suất trong xylanh đạt đến giá trị đặt của van chỗi (3) thì bộ khuếch đại áp suất (1) bắt đầu hoạt động. Cửa ra áp suất cao của bộ khuếch đại đặt gần với van một chiều có điều khiển và phía piston thực hiện dập. Van một chiều điều có khiển được sử dụng thay cho van một chiều thông thường cho phép thực hiện hành trình về của xy-lanh.

1 INT 3 2

Hình 3.6

Hình 3.7 5.7

Mạch khuếch đại áp suất

Bộ khuếch đại áp suất tự động

Mạch giữ thăng bằng xy-lanh Hình 3.8 minh họa việc sử dụng van đối trọng để giữxy-lanh trong trạng thái thẳng đứng khi bơm không tải. Van đối trọng được đặt để mở một áp suất đủ để giữ piston. Điều này cho phép xy-lanh được ấn xuống khi có áp suất tác động lên phía trên. Van điều khiển hướng mở ở vị trí trung tính điều khiển bơm không tải. Van điều khiển hướng là một van điện từ, lò xo trung tâm, mở ở vị trí trung tính.

229

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.8 5.8

A

B

P

T

Ứng dụng van đối trọng

Mạch chuỗi xy-lanh thủy lực Van chuỗi có thể tạo ra mạch thủy lực tác động theo chuỗi. Hình 3.9 là một ví dụ về mạch này trong đó sử dụng 2 van chuỗi để điều khiển chuỗi hoạt động của 2 xy-lanh tác động kép. Khi van điều khiển hướng dịch theo khoang trái, xy-lanh trái thực hiện hết hành trình ra, sau đó xy-lanh phải thực hiện hành trình ra. Khi van điều khiển hướng dịch theo khoang phải thì xy-lanh phải rút vào hết, sau đó xy-lanh trái rút vào. Chuỗi thao tác các xy-lanh này được điều khiển bằng các van chuỗi. Vị trí trung tính của van điều khiển hướng khóa cả 2 xy-lanh.

230

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Cylinder A

Hình 3.9 5.9

Cylinder B

A

B

P

T

Mạch chuỗi xy-lanh thủy lực

Mạch tịnh tiến xy-lanh Hình 3.10 là một mạch tạo ra chuyển động tịnh tiến liên tục một xy-lanh thủy lực. Điều này được thực hiện nhờ 2 van chuỗi, mỗi van cảm biến vị trí cuối hành trình bằng sự tăng áp suất tương ứng. Mỗi van một chiều và đường điều khiển tương ứng chống sự tác động của van 4 cửa cho đến khi một hành trình riêng biệt của xy-lanh hoàn tất. Van một chiều này là cần thiết để cho phép dầu điều khiển ra khỏi một phía của van điều khiển hướng trong khi có áp suất điều khiển ở phía còn lại.

231

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.10 5.10

Hệ thống tịnh tiến xy-lanh tự động

Mạch khóa xy-lanh bằng cách sử dụng van 1 chiều có điều khiển Trong nhiều ứng dụng thực tế, nhiêu khi cần phải khóa xy-lanh để cho vị trí piston của nó không bị dịch chuyển do bị ngọai lực tác động lên cần piston. Hình 3.11 trình bày phương pháp khóa xy-lanh dùng van một chiều. Khi có ngoại lực tác động lên cần piston, piston sẽ không bị dịch chuyển do có dòng lưu lượng ngược qua van một chiều tác động.

232

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.11 5.11

A

B

P

T

Khóa xy-lanh bằng van 1 chiều có điều khiển

Mạch đồng bộ hai xy-lanh Hình 3.12 là mạch đồng bộ hai xy-lanh, tuy nhiên để hai xy-lanh hoạt động đồng bộ yêu cầu hai xy-lanh này phải hoàn toàn giống nhau và tải tác động lên hai xy-lanh này cũng phải giống nhau. Nếu tải không hoàn toàn giống nhau (trường hợp này thường xảy ra trong thực tế) thì xy-lanh có tải nhẹ hơn sẽ thực hiện hành trình ra trước vì nó dịch chuyển dưới một áp suất nhỏ hơn. Sau khi xy-lanh này đã hoàn tất hành trình của nó, áp suất của hệ thống sẽ tăng đến mức cao hơn đủ để xy-lanh có tải lớn hơn dịch chuyển. Trong thực tế hiếm khi có hai xy-lanh hoàn toàn giống nhau do đó mạch 3.12 là mạch không khả thi.

Hình 3.12

233

Mạch đồng bộ hai xy-lanh không khả thi

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.13 trình bày mạch đơn giản đồng bộ hai xy-lanh, chất lỏng từ bơm được phân phối tới một đầu của xy-lanh 1 và chất lỏng từđầu còn lại của xy-lanh 1 đến một đầu của xy-lanh 2 và chất lỏng từ đầu còn lạicủa xy-lanh 2 về két. Vì vậy, các xy-lanh được mắc nối tiếp. Để cho xy-lanh đồng bộ với nhau thì diện tích của piston 2 phải bằng diện tích của xy-lanh 1 với diện tích chiếm chổ của cần piston. Chú ý rằng bơm phải cung cấp đủ áp suất để đẩy được tải của hai xy-lanh. Ta có: P1 AP1 − P2 (AP2 − AR1 ) = F1 P2 AP2 − P3 (AP2 − AR2 ) = F2 Kết quả là: P1 AP1 = F1 + F2 Cylinder 1 AR1

P1

F1

P2 AP1

AR2

P2 AP1

Hình 3.13 5.12

F2

P3 Cylinder 2

Mạch đồng bộ hai xy-lanh

Các mạch bảo vệ Mạch bảo vệ là mạch được thiết kế để bảo vệ an toàn cho người vận hành và bảo vệ cho thiết bị khỏi bị hỏng hóc. Hình 3.14 là mạch bảo vệ an toàn cho xy-lanh khi đường ống thủy bị vỡ hoặc khi người vận hành vô ý tác động lên van khi bơm không hoạt động.

234

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.14

Mạch bảo vệ xy-lanh

VALVE 3 VALVE 4

VALVE 2

VALVE 1

Hình 3.15 5.13

Mạch bảo vệ quá tải

Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực Hình 3.16 mô tả mạch điều khiển tốc độ động cơ thủy lực sử dụng van điều khiển bù áp suất.

235

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

M

P

Hình 3.16

Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực dùng van điều khiển lưu lượng

Nguyên lý hoạt động như sau: 1. Ở tại vị trí không của van 4 ngã. Động cơ thủy lực bị khóa. 2. Khi van bốn ngã tác động sang bên trái, động cơ quay theo một chiều. Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách điều chỉnh độ mở của van tiết lưu. Tốc độ của động cơ được giới hạn thông qua van giảm áp. 3. Khi van 4 ngã tác động ngược lại động cơ dừng tức thời và bị khóa. 4. Khi van bốn ngã tác động sang bên phải, động cơ quay theo một chiều ngược lại. Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách điều chỉnh độ mở của van tiết lưu. Van giảm áp dùng để bảo vệ quá tải. 5.14

Hãm động cơ thủy lực Khi sử dụng động cơ thủy lực trong hệ thống thủy lực, cần xem xét loại tải mà động cơ phải lai. Một động cơ thủy lực có thể lai máy có quán tính lớn. Điều này sẽ tạo ra mô men cản trên trục động cơ và việc ngắt lưu lượng dầu đến động cơ sẽ là nguyên nhân mà nó làm việc như một bơm. Trong trường hợp này mạch được thiết kế để cung cấp dầu đến động cơ trong khi bơm đã cách ly. Dầu được tạo từ động cơ thẳng về két hoặc qua van giảm áp. Điều này sẽ cho phép dừng động cơ nhanh nhưng không làm ảnh hưởng đến hệ thống. Hình 3.17 mạch điều khiển động cơ thỏa mãn yêu cầu.

236

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

M

P

Hình 3.17 5.15

Hệ thống hãm động cơ thủy lực

Mạch chuyển đổi khí - thủy Một số mạch sử dụng cả khí và thủy lực để tối ưu về mặt kỹ thuật hoặc kinh tế. Hình 3.18 cho ta thấy một hệ thống đối trọng, hệ thống này là mạch khí - dầu.

FLOAD EXH

FLR EXH

AIR OIL

Hình 3.18

Mạch khí- thủy lực

Lưu lượng khí nén qua bộ lọc, qua bộ hiệu chỉnh, bộ bôi trơn (FRL) vào két tăng áp qua van điều khiển hướng. Két tăng áp được nén bởi máy nén khí. Khí đẩy dầu ra khỏi đáy của két tăng áp và đến xy-lanh thủy lực qua van một chiều và khe giới hạn song song. Dầu này sẽ làm cho xy-lanh thực hiện hành trình ra để nâng tải. Khi van điều khiển hướng dịch chuyển sang chế độ lưu lượng thấp hơn, xy-lanh thực hiện hành trình vào ở 237

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

một tốc độ nào đó tùy thuộc vào độ mở của van tiết lưu và khí được thoát ra ngoài khí quyển qua van điều khiển hướng. Tải dừng lại tại vị trí không nhờ lò xo của van điều khiển hướng. 5.16

Hệ thống khuếch đại khí - thủy Hình 3.19 cho ta thấy một mạch khí - dầu.Mạch này điều khiển một xy-lanh dịch chuyển một khoảng cách lớn ở áp suất thấp và sau đó dịch chuyển một khoảng cách nhỏ ở áp suất cao. Hỗn hợp khí này dùng để đẩy kéo xy-lanh trong khu vực áp suất thấp của chu kỳ. Hoạt động của hệ thống này như sau: Van 1 đẩy và kéo xy-lanh sử dụng nguồn khí cung cấp bởi nguồn áp lực hoạt động bình thường. Van 1 cấp áp lực khí đến đầu của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại này tạo ra áp lực dầu cao tại đáy của bộ khuếch đại.Tác động điều khiển van 1 cho khí trực tiếp đến két đẩy. Két này tạo ra một lực lên phía đỉnh của bộ khuếch đại cân bằng với áp lực tại đáycủa xy-lanh. Khi xy-lanh mang tải, tác động điều khiển lên van 2, van này sẽ gửinguồn khí đến đỉnh của bộ khuếch đại. Dầu có áp suất lớn không thể hồi về két đẩy bởi vì cửa này bị khóa do cấu trúc phía dưới của piston khuếch đại. Do đó,xy-lanh nhận dầu áp suất cao tại ở vùng đáy để thắng được tải. Khi van 2 ngừng tác động, nguồn khí bị khóa, và đỉnh của bộ khuếch đại sẽ thông ra khí quyển. Kết thúc một phần áp suất cao của chu kỳ. Khi van 1 ngừng tác động, khí trong két đẩy thoát ra ngoài và nguồn khí này trực tiếp đến két hồi. Két này sẽ đẩy dầu vào mặt đáy cần của xy-lanh, làm cho xy-lanh đi vào. Và dầu ra được đưa vào đáy của bộ khuếch đại thủy lực và lưu lượng hồi về két đẩy. Hoàn thành 1 chu kỳ hoạt động. FRL

EXH

VALVE 1

EXH

RETURN AIR TANK OIL

VALVE 2 FLOAD APPROACH TANK OIL

AIR

CYLINDER

INTENSIFIER

Hình 3.19 238

Mạch khuếch đại khí thủy lực

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.20 minh họa hình dạng của bộ khuếch đại khí thủy lực và ký hiệu của nó. Loại này có thể cung cấp áp suất đầu ra lên đến 3000psi.

Hình 3.20

Hình dạng và ký hiệu của bộ khuếch đại khí thủy lực

CÂU HỎI VẢ BÀI TẬP 1.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển xy-lanh tác động đơn.

2.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển xy-lanh tác động kép.

3.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch không tải.

4.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống hai bơm.

5.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại áp suất.

6.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch giữ thăng bằng xy-lanh.

7.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch chuổi.

8.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch tịnh tiến xy-lanh.

9.

Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch khóa xy-lanh sử dụng van một chiều.

10. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của các mạch bảo vệ. 11. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển tốc độ động cơ thủy lực. 12. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch hảm động cơ thủy lực. 13. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch chuyển đổi khí - thủy lực. 14. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại động cơ thủy lực. 15. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch hệ thống servo cơ-thủy lực. 16. Giới thiệu các phần tử và hoạt động của hệ thống điều khiển lái trợ lực như trong hình vẽ 3.21.

239

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.21

Hệ thống lái trợ lực cho ô tô

17. Hoàn thành sơ đồ mạch hình 3.22, vớixy-lanh kẹp (clamp cylinder) thực hiện hành trình ra trước, và sau đó xy-lanh làm việc (work cylinder) thực hiện hànhtrình ra bởi tác động của các van điều khiển hướng. Sau đó, van điều khiển hướng tác động làm cho xy-lanh làm việc thực hiện hành trình vào và sau đó xy-lanh kẹp thựchiện hành trình vào.

Hình 3.22 18. Sơ đồ mạch ở hình 3.23 sai như thế nào?

Hình 3.23 240

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

19. Sơ đồ mạch ở hình 3.24 sai như thế nào?

Hình 3.24 20. Trong hình3.25 trình tự hoạt động của xy-lanh 1 và 2 khi bơm hoạt động. Giả thiết rằng hai xy-lanh lùi vào hết hành trình.

Hình 3.25 21. Trong hình 3.26 cho ta thấy tính an toàn của mạch như thế nào khi thêm vào van giảm áp.

241

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.26 22. Giả thiết hai xy-lanh có cần hai phía trong hình 3.27 là đồng bộ. Mục đích duy nhất của mạch này có thể làm được là gì?

Hình 3.27 23. Một xy-lanh tác động kép được điều khiển như trong mạch ở hình 3.28. Van giảm áp đặt giá trị 105bar. Diện tích của piston là 130cm2 diện tích cần là 64 cm2. Nếu lưu lượng bơm 0.0016 m3/s. Xác định tốc độxy-lanhvà độ lớn của tải đối với các trường hợp sau: a) Tốc độ thực hiện hành trình ra? b) Tốc độ thực hiện hành trình ra?

242

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 3.28 HƯỚNG DẪN: 1. 2.

243

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 6 ĐIỀU KHIỂN LOGIC THỦY LỰC

Mục đích, yêu cầu: Trang bị cho sinh viên kiến thức các bộ điều khiển MPL (Moving Part Logic Device);cơ sở về điều khiển logic FD (Fluidic Device). (1.0.2) 6.1

Khái niệm chung Hệ thống điều khiển logic thủy lực sử dụng thiết bị logic để chuyển hướng dòng chảy, thường sử dụng khí, từ một đầu ra của thiết bị đến đầu ra khác. Do đó, đầu ra của một thiết bị logic hoặc ON hoặc OFF khi chuyển mạch nhanh từ một trạng thái này đến một trạng thái khác bằng tín hiệu điều khiển. Các thiết bị sử dụng thủy lực như nguồn công suất trung gian được phân thành hai loại:  Thiết bị logic có bộ phận chuyển động (Moving-Part Logic Device - MPL), và  Thiết bị kiểu chất lỏng (Fluidic Device - FD). Thiết bị MPL là các van loại nhỏ, van này thực hiện công việc chuyển mạch trong hệ thống logic thủy lực nhờ tác động di chuyển các phần tử bên trong van. Thiết bị MPL có thể là loại van ti, van kim, van màng, và có thể được tác động bằng cơ khí, điện, hoặc áp lực.

1 2 8 3

7

4 5

6 Hình 6.1

244

1- Chỉ báo vị trí van 2- Chi tiết van có cấu trúc bằng đồng, đồng mạ niken, thép không rỉ, và acetal đồng trùng hợp. 3- Thân bộ phân phối được đúc bằng acetal đồng trùng hợp tỷ trọng cao; 4- Các rãnh trong van được nối với đầu ra thông qua các đường rãnh dọc thân van 5- Các phần tử mạ niken bên trong làm giảm mài mòn do ma sát 6- Tất cả các van đều được cấu trúc các cửa ra với tính linh hoạt cao nhất (thường là 8 port) 7- Tám đường dẫn khí kéo dài dọc thân van 8- Cấu trúc khe hở nhỏ riêng biệt

Van MPL tương thích với các tấm phân phối

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.1 cho ta thấy hình dạng của van MPL bao gồm thân van bao quanh khoảng không gian tâm van có các đường dẫn khí. Các đường dẫn này có thể sử dụng để cho phép dòng khí qua ở bất kỳ điểm nào dọc theo trục của van. Các đường dẫn này kết thúc ở mặt đế của thân van (xem hình 6.2). Đế van được gắn trên một tấm phân phối có bố trí các lỗ để nối ống.

Hình 6.2

Tấm phân phối, vòng đệm và van MPL

Vì việc nối nguồn khí dễ dàng, cho nên tấm phân phối cho phép các phần tử của van được thiết kế với các chỉ tiêu kỹ thuật tốt nhất không phụ thuộc cấu trúc lỗ van. Nó cũng cho phép sử dụng nhiều cửa với hai hoặc nhiều cửa làm cửa vào, cửa ra, nguồn cấp, … Điều này làm giảm số lượng ống bên ngoài cần thiết để hoàn thành một mạch. Hơn nữa, tấm phân phối này cho phép nối các ống bên trong của các cửa. Điều này có giá trị đặc biệt trong một số module bao gồm nhiều van (xem hình 6.3).

Hình 6.3

245

Hệ thống các van MPL với tấm phân phối module

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Các phần tử riêng biệt được nối với nhau trong cùng module để tạo ra các mạch phụ hoàn chỉnh như cổng OR/NOR và AND/NAND. Chức năng này làm giảm ống bên ngoài. Cấu trúc của van điều khiển hướng bao gồm các thiết kế hai đường, ba đường, và bốn đường tác động bằng áp suất, điện, hoặc cơ khí. Các loại van kết nối kiểu module khác, thiết kế tấm phân phối bao gồm cả van kết nối, van điều khiển lưu lượng, van thoi, van giảm áp, van xung và van chuỗi. Hình 6.4 giới thiệu một module hàm Exclusive “OR”. Module bao gồm van V-1, V-2 là van dạng nút nhấn, 3 cửa, thường mở; V-3 là van 3 cửa 2 trạng thái điều khiển bằng khí nén; V-4 là van 3 cửa, thường đóng, điều khiển đơn.

Hình 6.4

Module hàm Exclusive “OR”

Hoạt động của module như sau:  Khi ấn van V-1, tín hiệu sẽ đi qua cả van V-3 và V-4. Tín hiệu ở V-4 bị khóa do không có nguồn ở cửa 1. Tín hiệu ở van V-3 tác động lên van và cung cấp tín hiệu ra. Nếu V-2 được tác động độc lập thì mạch hoạt động tương tự.  Nếu đồng thời cả van V-1 và V-2 được tác động, tín hiệu ra ở V-4 tác động vào phía dưới của van điều khiển cùng với tác động của lò xo trong van, nó sẽ điều khiển van V-3 ở trạng thái OFF cho dù có tín hiệu khí điều khiển vào phía trên của van V-3. Bảng sự thật cho hàm tạo bởi module này như hình 6.5.

Hình 6.5

Bảng sự thật hàm Exclusive “OR”

Hình 6.6 trình bày một máy vặn ốc sử dụng bốn mạch module MPL. Nguyên lý hoạt động như sau: một động cơ lai cơ cấu vặn thông qua một khớp nối khí, độ lớn áp suất khí cung cấp đến khớp nối xác định giá trị momen vặn. Toàn bộ cơ cấu vặn được nâng

246

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

lên và hạ xuống bằng một xy-lanh. Các chi tiết được giữ chặt ở trong một ống kẹp cố định bằng khí nhờ người vận hành. Ấn bàn đạp và đóng ống kẹp để bắt đầu một chu kỳ. Lắp ráp cơ cấu vặn nhỏ hơn và siết chặt để xác định trước momen. Khi cơ cấu vặn dừng, người vận hành nhả bàn đạp. Cơ cấu vặn nâng lên, mở ống kẹp, và lấy chi tiết ra. Sử dụng máy vặn này siết chặt hơn vặn bằng tay, momen chính xác và hoạt động an toàn hơn.

Hình 6.6

Một máy vặn ốc sử dụng bộ điều khiển

Các thiết bị kiểu chất lỏng (Fluidic Device - FD) sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn khác để tạo ra thiết bị điều khiển logic có khả năng so sánh với thiết bị MPL. FD là một công nghệ sử dụng hiện tượng dòng chảy trong các phần tử và mạch để thực hiện một sự thay đổi rộng các hàm điều khiển. Các hàm này bao gồm: cảm biến, logic, nhớ, định thời, và giao tiếp với các thiết bị điều khiển khác. Năm 1959 các kỹ sư ở U.S. Amy’s Harry Diamond Laboratories là R.E. Bowles, R.W. Warren, và B. M. Horton tìm ra một phương pháp sử dụng dòng chất lỏng để thực hiện chức năng điều khiển. Họ cố gắng tìm ra công cụ để tránh các nhược điểm của hệ thống điện tử, bởi sự ảnh hưởng của nhiệt độ, sự chấn động, rung động, và bức xạ. Một hệ thống logic yêu cầu phải loại bỏ và giảm số phần tử chuyển động và liên kết giữa các phần tử điện và phần tử cơ khí trong cả hệ thống thủy lực và khí. 247

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Khái niệm Fluidic về cơ bản rất đơn giản. Chúng liên quan đến hiệu ứng thay đổi hướng của một dòng chảy khi gặp một dòng chảy khác và hiệu ứng dính vào vách. Hiện tượng dính vào vách được phát hiện đầu tiên bởi nhà khoa học người Hungary Henri Coanda vào năm 1932. Do đó, hiệu ứng này còn được gọi là hiệu ứng Coanda, là nguyên lý cơ bản trong hoạt động của các FD. Khi dùng FD để điều khiển hệ thống công suất thủy lực, mạch điều khiển FD thực hiện chức năng “não bộ” và hệ thống công suất thủy lực cung cấp “sức lực” hay cơ bắp. Do đó, các FD làm việc ở một mức áp suất và công suất thấp (thường dưới 15 psi). Tuy nhiên, tín hiệu áp suất thấp này có thể điều khiển hệ thống thủy lực hoạt động tin cậy với áp suất lên tới 10,000 psi. Trong các ưu điểm của hệ thống điều khiển FD có khả năng nhạy cảm tốt nhất và không bị ảnh hưởng của môi trường. Các cảm biến thường được đặt ở những vị trí rất khó lắp đặt mà các loại cảm biến khác như cơ khí và điện không thể sử dụng được, chẳng hạn như một cái lỗ trên bàn kẹp của máy đột dập. Tuy nhiên, vấn đề này được giải quyết dễ dàng nhờ một lỗ nhỏ dẫn đến một thiết bị thủy lực. Các cảm biến thủy lực có thể sử dụng như một giải pháp an toàn trong các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như ở các vật liệu dễ vỡ bằng thủy tinh, sành sứ, … Vì các FD không có bộ phận chuyển động cho nên chúng không bị mài mòn. Tuy nhiên, chúng có thể bị hư hỏng do bị tắc nghẽn bởi các hạt có kích thước lớn có từ nguồn khí cấp vào chưa được lọc phù hợp. Do đó, cần có một chu trình bảo dưỡng chặt chẽ và đảm bảo nguồn khí cấp đủ sạch. Không bị ảnh hưởng của môi trường là một đặc tính của các phần tử Fluidic, điều này cho phép nó hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt mà các thiết bị loại khác không thể sử dụng được. Vì hệ thống Fluidic không thể gây tia lửa nên đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường dễ cháy nổ. Các FD không tạo ra nhiễu điện cho nên không ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử. Và nhiễu điện cũng không ảnh hưởng đến sự hoạt động của hoàn toàn các FD. Hệ thống FD cũng hoạt động bình thường trong các môi trường có bức xạ hạt nhân, từ trường, nhiệt độ khắc nghiệt, rung, va đập cơ khí. Một nguyên nhân cơ bản để lựa chọn hệ thống điều khiển FD là độ tin cậy của các thiết bị FD. Độ tin cậy của các thiết bị này trước hết là do sự chế tạo chính xác các kênh dẫn khí bên trong các FD. Về khả năng giao tiếp với các hệ thống điều khiển thì FD thực hiện dễ dàng. Hệ thống FD có thể giao tiếp với hệ thống khí, điện, và các hệ thống khác. 6.2

Các MPL trong hệ thống điều khiển Các MPL trong hệ thống điều khiển dùng các thiết bị van loại cỡ nhỏ. Do đó, toàn bộ hệ thống điều khiển MPL có thể được đặt trong một không gian khá nhỏ để giảm tối thiểu

248

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

các phần tử logic. Hình 6.7 cho ta thấy một loại van giới hạn nhỏ 3 vị trí với kích thước khá nhỏ.

Hình 6.7

Van điều khiển khí

Hình 6.8 cho ta thấy một bộ điều khiển khí hoàn chỉnh với một nút ấn ON/OFF.

Bộ điều khiển khí MPL hoàn chỉnh

Hình 6.8

Hình 6.9 là mạch MPL với tấm phân phối thực hiện hoàn chỉnh chức năng của một mạch điều khiển thực tế. Do

or

Supply

Open

“x” plug port Supply

249

Jumper for delay open door

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.9

Mạch MPL với tấm phân phối

Các mạch MPL sử dụng 4 hàm điều khiển logic cơ bản là AND, OR, NOT và MEMORY. Hình 6.10a vẽ mạch tạo hàm AND. Hàm này yêu cầu 2 hoặc nhiều tín hiệu điều khiển phải tồn tại để thiết lập đầu ra. Mạch này bao gồm 3 van 2 đường, 2 vị trí, điều khiển bằng khí nén, hồi bằng lò xo. Nếu tín hiệu điều khiển tồn tại ở tất cả ba van (A, B và C), thì đầu ra D sẽ tồn tại. Nếu một trong các tín hiệu điều khiển mất thì đầu ra D cũng mất. Một phương pháp thứ hai thực hiện hàm AND, vẽ trong hình 6.10b sử dụng một van điều khiển hướng tác động đơn và hai van thoi. Các đường điều khiển A, B và C phải được hở để ngắt đầu ra từ S đến P.

(a)

(b)

Hình 6.10 Hàm NAND (a) nhiều van điều khiển hướng; (b) một van điều khiển hướng Mạch OR là một mạch mà khi có một tín hiệu điều khiển ở bất kỳ van nào sẽ tạo ra tín hiệu ở đầu ra. Nếu tất cả tín hiệu điều khiển mất thì đầu ra sẽ không tồn tại. Điều này được thực hiện trong mạch hình 6.11a bao gồm ba van được nối song song. Nếu bất kỳ van nào có tín hiệu khí tác động, thì tạo tín hiệu đầu ra ở D. Hình 6.11b cho ta thấy cách thực hiện hàm OR sử dụng một van điều khiển hướng và hai van thoi. Trong trường hợp này, một tín hiệu cấp đến van A, B và C sẽ có tín hiệu đầu ra từ S đến P.

250

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

(a) Hình 6.11

(b)

Hàm OR (a) nhiều van điều khiển hướng (b) một van điều khiển hướng

Hàm NOT, đầu ra ON khi tín hiệu điều khiển vào OFF. Điều này được minh họa trong hình 6.12a cho ta thấy đầu ra sẽ không tồn tại nếu tín hiệu điều khiển A được cấp. Phương pháp thứ hai để thực hiện hàm NOT là sử dụng van 3 vị trí như được vẽ trong hình 6.12b.

Hình 6.12

Hàm NOT (a) van 2 cửa, (b) van 3 cửa

Nhớ (Memory) là khả năng của một hệ thống điều khiển duy trì thông tin đã nhận được. Hình 6.13a vẽ một mạch nhớ, hoạt động như sau: nếu tín hiệu điều khiển A được cấp tới tức thời (dạng xung), đầu ra C sẽ xuất hiện. Nếu tín hiệu điều khiển B được cấp tới tức thời (dạng xung) đầu ra D sẽ tồn tại. Do đó, đầu ra ở C nhớ tín hiệu được cấp đến ở A và đầu ra ở D nhớ tín hiệu được cấp đến ở B. Mạch nhớ không thực hiện nếu tín hiệu điều khiển A và B được cấp đến đồng thời.

251

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.13

Hàm nhớ (a) ba van điều khiển hướng (b) hai van điều khiển hướng

Một trường hợp thứ hai cho ta thấy một mạch nhớ dùng van 3 vị trí tác động kép như đã chỉ ở hình 6.13b. Trong hình 6.14 chúng ta có một mạch MPL điều khiển xy-lanh tác động kép.

Hình 6.14

Mạch chuỗi xy-lanh MPL

Hình 6.15 là một mạch điều khiển xy-lanh tác động kép có chức năng như sau: 1. Hệ thống bao gồm khóa liên động và vị trí điều khiển. 2. Để xy-lanh thực hiện hành trình ra một trong hai van tay (A hoặc B) phải được tác động và van C phải được tác động. 252

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3. Tín hiệu ra được nhớ trong khi xy-lanh thực hiện hành trình ra. 4. Tại cuối hành trình tín hiệu nhớ được xóa.

Hình 6.15

Mạch điều khiển xy-lanh tác động đơn bằng MPL

Hoạt động của mạch được mô tả như sau: 1. Tín hiệu vào A và B được đưa vào cổng OR sao cho A hoặc B có thể được sử dụng để điều khiển xy-lanh thực hiện hành trình ra. Cổng OR bao gồm một van thoi hai đường và van điều khiển hướng tác động bằng nút ấn. 2. Đầu ra từ cổng OR (C hoặc D) được đưa vào cổng AND cùng với tín hiệu điều khiển cơ khí F. Một van điều khiển hướng 3 đường tác động đơn thực hiện hàm AND trong hệ thống. 3. Đầu ra từ cổng AND đưa vào thiết bị nhớ, tín hiệu nhớ này van nằm ở vị trí này trong suốt quá trình xy-lanh thực hiện hành trình ra. Tại cuối hành trình, van ngắt cuối tác động để xóa tín hiệu nhớ. Xy-lanh ngừng chuyển động và thực hiện hành trình vào. 6.3

Cơ sở về điều khiển logic FD Thiết bị FD là bộ phận quan trọng nhất trong điều khiển logic thủy lực, hoạt động dựa trên hiệu ứng Coanda. Bản vẽ A và B hình 6.16 minh họa hiện tượng hiệu ứng Coanda. Như đã chỉ trong hình A, một luồng khí từ nguồn cấp đi vào vùng giới hạn ở một vận tốc đủ lớn để tạo ra dòng xoáy. Chức năng của dòng xoáy này rất giống như một bơm tia và hút khí xung quanh nó. Kết quả là một luồng được thiết lập dọc theo thành của vùng giới hạn. Luồng khí này thay thế khí được bơm từ ngoài vào. Vì tia xoáy không ổn định, nó sẽ đổi chiều ngược lại và về phía trước. Khi tia đổi chiều gần đến thành, nó ngắt luồng dọc theo thành ở mặt đó, như ở hình B. Kết quả không có nhiều khí ở mặt này để thay cho khí được bơm ra bởi vòi công suất. Việc luồng khí hạn

253

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

chế này sẽ gây ra một áp suất thấp hơn trên mặt đó của vòi công suất. Điều này sẽ tạo ra bọt áp suất thấp gần vòi. Bọt áp suất thấp sẽ làm cho dòng khí trở nên ổn định và duy trì chạm trạng thái chạm vào thành đó.

Hình 6.16

Hiệu ứng Coanda

Để có một thiết bị điều khiển thực tế hiệu ứng Coanda này, cần phải thiết lập một phương pháp tin cậy để điều khiển chính xác hiện tượng tiếp thành. Điều này được thực hiện bằng cách tạo cửa điều khiển vào vùng giới hạn. Như được vẽ ở hình C của hình 6.16, cửa điều khiển này cho phép chọn thành để luồng khí sẽ chạm vào. Khi luồng khí được nạp vào gặp bọt qua cửa điều khiển, bọt áp suất thấp này bị phá hủy. Điều này làm cho vòi công suất chuyển sang tiếp thành đối diện. Tia này sẽ duy trì ở đó cho đến khi tín hiệu khí mới được nạp vào để phá hủy bọt áp suất thấp. Khi điều này được thực hiện, thiết bị chuyển mạch ngược lại. Các phần tử này được gọi là thiết bị số bởi vì tín hiệu ra là ON hoàn toàn hay OFF hoàn toàn. Với hiệu ứng này, không có đầu ra ở mức trung gian. Do đó, hệ thống số chỉ có các thiết bị có hai trạng thái cửa ra là ON và OFF và được chuyển mạch nhanh từ một trạng thái này sang một trạng thái khác nhờ tín hiệu điều khiển được cấp đến các đầu vào của chúng. Tín hiệu điều khiển được coi là ON khi nó ở mức cao đủ để đảm bảo chuyển mạch cho một thiết bị số. Tương tự tín hiệu được xem là OFF khi nó ở mức thứ hai đủ thấp để cho phép thiết bị chuyển mạch ngược lại về vị trí ban đầu. Tín hiệu giữa hai mức này không xác định và phải tránh. Sự chuyển đổi từ một trạng thái này sang một trạng thái khác được thực hiện càng nhanh càng tốt. Ngược lại hệ thống điều khiển tương tự là hệ thống mà tín hiệu có thể lấy giá trị liên tục trong một phạm vi nào đó. Do đó, tín hiệu ra của thiết bị điều khiển tương tự có lấy bất kỳ giá trị nào trong phạm vi đầu ra. Hầu hết thiết bị điều khiển logic thủy lực là loại số và hoạt động dựa trên nguyên lý tiếp thành hay hiệu ứng Coanda. Hiệu ứng Coanda có thể được giải thích bằng sự đổi hướng của luồng nước từ vòi khi đưa ngón tay ở gần vòi nước, như hình 6.17a; sau đó di chuyển ngón tay của bạn về dòng nước. Khi ngón tay bạn tiếp xúc với dòng nước. Nước này sẽ tiếp xúc với thành, trong trường hợp này là

254

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

ngón tay của bạn (xem hình 6.17b). Bọt áp suất thấp giữ trạng thái dòng chảy cho đến khi bạn di chuyển tay ra.

Hình 6.17 6.4

Minh họa đơn giản hiệu ứng Coanda

Các thiết bị thủy lực cơ bản Trong mục này chúng ta khảo sát các hoạt động của các thiết bị thủy lực cơ bản như sau:    

FLIP- FLOP, OR/NOR, EXCLUSIVE OR, và AND/NAND.

Hình 6.18

Hoạt động của flip-flop cơ bản hai trạng thái ổn định

Một thiết bị điều khiển số có hai trạng thái ổn định được thiết lập nếu thêm vào thiết bị chạm thành của chúng một bộ rẽ mạch khí. Như giới thiệu trong hình D của hình 6.18. Điều này cho phép đảm bảo một trong hai cửa ra được điều khiển có dòng công suất. Thiết bị này có hai trạng thái ổn định hay được gọi là thiết bị chạm thành FLIP-FLOP. Bọt ngăn cách tạo ra sự chênh lệch áp suất duy trì trạng thái ổn định của thiết bị này. Yêu cầu một tốc độ dòng chảy cực tiểu nhất định để duy trì sự ổn định phù hợp. Tuy nhiên, để sử dụng hai cửa ra, thì tốc độ này phải được giới hạn để tạo áp suất hồi phù hợp. Như vậy, với sự giới hạn dòng chảy có tốc độ thấp hơn giá trị cực tiểu thì sẽ có dòng chạm thành ổn định. Đặc tính này yêu cầu có một thiết bị được gọi là thiết bị nhạy

255

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

cảm tải vì tín hiệu ra có thể chuyển từ cửa mong muốn sang cửa thứ 2 mỗi khi tải cản trở dòng chảy ra từ cửa ra mong muốn. Đây là đặc tính không thể chấp nhận được vì thiết bị về cơ bản là không ổn định. Hình vẽ E của hình 6.18 minh họa sự thay đổi về thiết kế FLIP - FLOP để loại bỏ vấn đề nhạy cảm tải. Chú ý thêm vào hai cửa thoát ở đầu ra. Trong trường hợp này, dòng ra bị hạn chế không đáng kể, tốc độ dòng chảy qua lỗ thoát có thể làm giảm áp suất đủ để cho phép dòng chảy qua lỗ thoát. Khi cửa ra bị hạn chế, dòng khí sẽ qua cửa thoát. Khi cửa ra bị khóa hoàn toàn, lưu lượng ra qua cửa thoát đủ để duy trì trạng thái ổn định. Kết quả lưu lượng cửa ra không chuyển mạch sang cửa ra khác. Hình F của hình 6.18 đó là một flip- flop bao gồm một đỉnh (cusp) trên phần ngăn cách (splitter), đỉnh này có tác dụng tăng tính ổn định. Đỉnh này có xu hướng tăng áp suất bên trong ở phía áp suất cao của dòng công suất. Một flip-flop cung cấp một chức năng nhớ trong hệ thống điều khiển chất lỏng. Điều này có thể thấy thông qua ký hiệu và bảng sự thực của flip-flop như được vẽ ở hình 6.19. Bảng sự thật cho ta hoạt động của thiết bị. Số 0 tương ứng OFF số 1 tương ứng là ON đối với tất cả các thiết bị. Do đó, khi tín hiệu điều khiển C1 là ON và tín hiệu điều khiển C2 là OFF thì đầu ra là O1 . Sau đó nếu C1 chuyển sang OFF thì tín hiệu O1 vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu.

Hình 6.19

C1 1

C2 0

O1 1

O2 0

0 0 0

0 1 0

1 0 0

0 1 1

Ký hiệu flip-flop và bảng sự thật

Nếu C2 chuyển sang ON thì flip-flop sẽ chuyển sang đầu ra O2 , khi tín hiệu C2 mất thì đầu ra O2 vẫn được duy trì. Do đó, flip-flop có hai trạng thái ổn định khi tất cả các tín hiệu điều khiển đều OFF. Tuy nhiên, một trong hai trạng thái ổn định là có thể đoán trước, do đó flip-flop là một thiết bị hai trạng thái xác lập. Tuy nhiên cần chú ý rằng khi flip-flop được cấp nguồn áp suất Ps (không có tín hiệu điều khiển nào ON), thì cửa ra là không xác định. Ngoài ra, cả hai tín hiệu điều khiển C1 và C2 sẽ không được ON đồng thời. Một flip-flop có thể có nhiều hơn hai cửa điều khiển, như ký hiệu đã chỉ ở hình 6.19. Trong thiết kế này cửa C1 và C2 thực hiện cùng chức năng với C3 và C4 . Với chuyển mạch dương thì áp suất tín hiệu điều khiển tối thiểu 10% áp suất nguồn cấp Ps nhưng không vượt quá 30% Ps . Áp suất nguồn nằm giữa 3 và 10 psi. Trong một số ứng dụng, cần có một cửa ra riêng biệt khi nguồn cấp ON và tất cả tín hiệu điều khiển là OFF. Đối với các ứng dụng này, flip-flop với ưu tiên kích khởi như

256

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

hình vẽ 6.20 được sử dụng (chú ý có dấu + trong ký hiệu). Khi tất cả các tín hiệu điều khiển OFF thì đầu ra ON tại O1 và OFF tại O2 .

Hình 6.20

C1 0

C2 0

O1 1

O2 0

0 0 1

1 0 0

0 0 1

1 1 0

0

0

1

0

Ký hiệu và bảng sự thật của flip-flop ưu tiên

Flip-flop ưu tiên có thể có nhiều hơn hai cửa điều khiển. Lúc này, C1 và C2 thực hiện như C3 và C4 . Dấu “+” cho biết O1 được ưu tiên hơn O2 . Flip-flop SRT có cùng chức năng như flip-flop cơ bản, ngoại trừ nó có thể chuyển mạch bằng cách cấp tín hiệu điều khiển tới cửa triger. S và R đại diện cho SET và RESET, và thực hiện như các tín hiệu điều khiển thông thường. T đại diện cho triger, và khi khí nén được cấp đến, nó chuyển mạch đầu ra. Hình 6.21 là ký hiệu và bảng sự thật của flip-flop SRT. Thiết bị này được sử dụng trong các bộ đếm nhị phân.

Hình 6.21

T

S

R

0 0 0 0 1 0 1 0

1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 0

O1 1 1 0 0 1 1 0 0

O2 0 0 1 1 0 0 1 1

Ký hiệu và bảng sự thật của flip-flop SRT

Một hàm hai trạng thái ổn định như flip-flop không cung cấp tất cả các chức năng điều khiển yêu cầu trong hệ thống hoàn chỉnh. Một hàm ổn định một trạng thái (đơn ổn) cũng rất cần thiết. Hai thiết bị đơn ổn cơ bản là cổng OR/NOR và AND/NAND. Hai thiết bị này về cơ bản giống như các FD đơn ổn nhưng có ngõ vào khác. Bảng vẽ G của hình 6.22 minh họa hoạt động của thiết bị đơn ổn. Quan sát sự tương tự giữa thiết bị đơn ổn 6.22 (G) và 6.18 (E). Sự khác nhau giữa chúng như sau: flip-flop là đối xứng để tạo ra một thiết bị có hai trạng thái ổn định (nhớ). Tuy nhiên, thiết bị đơn ổn không hoàn toàn đối xứng. Chú ý rằng các vòi phun công suất này hơi nghiêng về các chân và lỗ thoát cũng khác. Kết quả là thiết bị đơn ổn trông giống như một bàn chân. Tín hiệu điều khiển sẽ chuyển dòng công suất, nhưng tín hiệu điều khiển phải được duy trì để giữ 257

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

chuyển đổi này. Khi tín hiệu điều khiển mất làm cho thiết bị chuyển đổi về trạng thái cố hữu. Một lối vào đặc biệt được đưa vào thiết bị đơn ổn cơ bản để tạo thiết bị OR/NOR, như đã minh họa ở hình 6.22 (H). Một tín hiệu vào có thể được cấp đến bất kỳ cửa điều khiển nào hoặc trong một tổ hợp bất kỳ để chuyển mạch thiết bị. Ví dụ một tín hiệu cấp đến cửa 2 sẽ qua khe hẹp và xuất hiện ở lối vào điều khiển của thiết bị đơn ổn. Tín hiệu ở cửa 3 và 4 cũng làm giống như vậy. Do đó, bấy kỳ tín hiệu điều khiển nào cũng sẽ chuyển đổi thiết bị, cũng như tổ hợp bất kỳ của các tín hiệu đó. Một khe nhỏ trong đường vào được thông ra ngoài môi trường khí quyển. Với cách này, tín hiệu ở 2 không thể rò qua 3 hoặc 4, và ngược lại.

Hình 6.22

Hoạt động của thiết bị đơn ổn OR/NOR và AND/NAND

Hình 6.23 vẽ một cổng OR/NOR thực tế cùng với ký hiệu và bảng sự thật của nó. Mặc dù trong bảng sự thật cho ta chỉ có tín hiệu điều khiển C1 và C3 , thực sự thiết bị này có hai cửa điều khiển C5 và C7 thêm vào. Tín hiệu điều khiển vào bất kỳ một cửa nào hoặc bất kỳ tổ hợp nào của các cửa điều khiển này đều tác động đến thiết bị để chuyển mạch đầu ra O1 . với tất cả tín hiệu điều khiển OFF đầu ra sẽ tự động ở O2 . Chú ý rằng cổng NOR có nghĩa là NOT OR. Do đó, nếu 01 là đầu ra và 02 thông (xem hình 6.25) thì thiết bị là OR ngược lại là NOR. Đặc biệt, cổng OR là một cổng nó có một đầu ra nếu C1 hoặc C3 hoặc C5 hoặc C7 hoặc bất kỳ sự tổ hợp của tất cả tín hiệu điều khiển là ON. C1 0 1 0 1 0 Hình 6.23 258

C3 0 0 1 1 0

O1 0 1 1 1 0

O2 1 0 0 0 1

Cổng OR/NOR với ký hiệu và bảng sự thật của nó

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hoạt động của cổng AND/NAND được minh họa ở hình 16 (I). Tín hiệu vào này khác cộng OR/NOR. Trong trường hợp này cổng AND/NAND, tín hiệu điều khiển cấp đến cấp đến cửa 2 sẽ đi thẳng ra ngoài môi trường. Tuy nhiên, nếu tín hiệu điều khiển đưa vào hai cửa 2 và 3, nó sẽ cắt nhau tại một điểm. Sự tương tác này sẽ làm lệch hướng lối vào điều khiển của phần tử đơn ổn. Do đó, cả hai tín hiệu điều khiển phải ON để chuyển đổi cổng AND/NAND. Hình 6.24 cho ta thấy cổng AND/NAND thực tế với ký hiệu và bảng sự thật của nó.

Hình 6.24

C1 0

C3 0

O1 0

O2 1

1 0

0 1

0 0

1 1

1 0

1 0

1 0

0 1

Cổng AND/NAND với ký hiệu và bảng sự thật của nó

Tương tự công NAND có nghĩa là NOT AND. Do đó, nếu 01 là đầu ra và 02 thông (xem hình 6.24) thì thiết bị là AND, và ngược lại là NAND. Đặc biệt cổng AND là một cổng nó có một đầu ra duy nhất nếu C1 và tín hiệu điều khiển C3 là ON. Một cổng hoặc loại trừ là một cổng có một đầu ra duy nhất nếu C1 hoặc C3 hoặc C5 hoặc C7 là ON (nhưng không có sự tổ hợp của các tín hiệu điều khiển). Như đã minh họa ở hình 6.23a một cổng hoặc loại trừ được thiết lập bằng cách cho vào một tia tác động vào cửa điều khiển của cổng OR. Ký hiệu và bảng sự thật cho ở hình 6.23b. Nếu C1 và C3 đều ON, sự tương tác giữa chúng sẽ thoát ra ngoài khí quyển và đầu ra không đến cửa điều khiển của cổng OR. Nếu C1 hoặc C3 là ON, đầu ra từ một tia tương tác tồn tại và trở thành tín hiệu điều khiển cổng OR.

Hình 6.25 259

Hoạt động của cổng Exclusive “OR”

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

6.5

Cung cấp khí cho mạch thủy lực Một nguổn khí sạch là rất cần thiết để giảm hoạt động hỏng hóc của hệ thống thủy lực. Sự hỏng hóc có thể làm tắt nghẽn các lối đi của hệ thống thủy lực. Ví dụ, thiết bị chạm thành dẫn lưu lượng qua lỗ nhỏ đường kính 0.020 in. Nếu khí đi qua ẩm ướt hoặc dầu, chúng sẽ tích tụ thành những hạt rắn nhỏ cho đến khi lối đi trở nên tắc. Để tránh được điều này, nguồn khí phải được xử lý trước khi đưa vào thiết bị điều khiển. Một hệ thống xử lý khí hoặc thủy lực bao gồm các phần tử sau: 1. Bộ lọc: Mục đích của bộ lọc là loại bỏ tất cả chất rắn và nước để kéo dài tuổi thọ làm việc của hệ thống. Bộ lọc có thể lọc các phần tử nhỏ cơ 5 micron (0.000005m hoặc 0.0002 in). 2. Bộ lọc này có thể loại bỏ những hạt rắn lỏng có kích cỡ dưới 1 micron. Do đó, những hạt có kích cỡ nhỏ hơn không thể tích tụ thành khối lớn hơn bên trong các bộ phận thủy lực. 3. Sấy khô: Sấy khô được lắp đặt trong trong ống phía sau bộ lọc liên kết. Mục đích của sấy khô giảm được hơi nước đến một giá trị nhỏ hơn 80% độ ẩm không khí. Ở mức này, nước sẽ không ngưng tụ ở ngoài không khí nếu nhiệt độ tụt xuống. 4. Bộ lọc hơi dầu: Bộ lọc này được lắp sau bộ sấy khô. Để giảm độ ẩm của dầu ngăn chăn dầu không bị ngưng tụ trong các bộ phận thủy lực. 5. Hiệu chỉnh áp suất: Sau khi tất cả bộ phận lọc và sấy khô hoàn thành, hiệu chỉnh áp suất giảm áp suất khí xuống một phạm vi mong muốn từ 0.5 đến 10 psi phù hợp với hoạt động của hệ thống thủy lực. 6. Két chứa: đây là một nơi sạch, khí khô được lưu trử để sử dụng trong hệ thống thủy lực.

6.6

Mạch logic thủy lực Trước tiên chúng ta ngiên cứu làm thế nào thủy lực có thể sử dụng trong hệ thống thủy lực, một số mạch logic thủy lực được trình bày. Chúng bao gồm bộ đếm nhị phân và bộ dao động đa hài. Hình 6.26 là một mạch thủy lực bao gồm một bộ đếm nhị phân dùng để đếm số chi tiết đi qua băng chuyền. Hệ thống này bao gồm 3 flip-flop SRT 3 đồng hồ chỉ báo thủy lực, một tia ngắt và một cổng OR/NOR. Mỗi chỉ thị có hai bít 1 (trạng thái là ON) hoặc bít 0 (trạng thái là OFF). Tất cả các trạng thái ban đầu đều OFF, tương ứng với mã nhị phân là 000 hoặc số thập phân là 0 như trong bảng trạng thái. Khi các chi tiết cắt qua tia, đầu ra của cổng OR/NOR gởi tín hiệu đến cổng triger flip-flop (3). Tín hiệu này sẽ chuyển flip-flop (3) lên ON cho ra một mã nhị phân là 001, và bằng 1 trong hệ thập phân. Khi bộ phận thứ hai cắt qua tia SRT flip-flop (3) sẽ chuyển mạch ngược lại. Chuyển mạch này làm cho bộ chỉ thị 3 OFF và cũng làm cho flip-flop SRT 2 trở nên ON. Điều này làm cho bít đếm nhị phận là 010, tương ứng với số thập phân là 2. Khi đó có 3 flip-flop SRT duy

260

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

nhất, mạch này cho ta 3 bít đếm nhị phận do đó nó có thể đếm lên đến bít 111. Tương ứng với số thập phân là 7.

Đếm nhị phân

Số nhị phân

Chỉ báo 1

Chỉ báo 2

Chỉ báo 3

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

2

0

1

1

3

1

0

0

4

1

0

1

5

1

1

0

6

1

1

1

7

0

0

0

0

Hình 6.26 Bộ đếm nhị phân ứng dụng trong dây chuyền sản xuất Một số hệ thống yêu cầu nguồn liên tục để tạo ra xung để điều khiển trình tự các sự kiện. Mỗi sự kiện này tương đương như một tín hiệu thay thế một xung được gọi là hệ thống khóa và có thể tạo ra bởi một thiết bị gọi là bộ phận đa hài không ổn định. Chẳng hạn như thiết bị có hai trạng thái ổn định thì có hai trạng thái ổn định và thiết bị đơn ổn thì có một trạng thái ổn định và thiết bị không ổn định thì không có trạng thái ổn định. Do đó, đầu ra của thiết bị đa hài không ổn định chuyển mạch ngược lại và tiếp tục về phía trước. Chẳng hạn như trong hình 6.27, bao gồm hai chỉ báo một cổng OR/NOR, một bình chứa, một cổng AND/NAND và một khóa OR/NOR. Hoạt động như sau: nếu khóa 261

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

OR/NOR không bị khóa, đầu ra OR/NOR ở 01 tiếp tục nạp vào bình chứa. Do đó, đầu ra AND/NAND ở 01 và chỉ thị 2 ở trang thái ON trong khi chỉ thị 1 vẫn còn OFF. Tuy nhiên, nếu khóa OR/NOR bị khóa, thì đầu ra OR/NOR sẽ thay đổi đến 02. Do đó, bình chứa không được nạp cho đến khi cổng AND/NAND chuyển mạch đến 02. Đầu ra này sẽ chuyển mạch cổng OR/NOR đến 02 để nạp vào bình chứa. Khi áp suất nó xấp xỉ gần bằng áp suất tại C1 được xác định bởi độ mở của lỗ giới hạn, chuyển mạch cổng AND/NAND sẽ chuyển mạch ngược lại đến 02. Do đó, hệ thống dao động ngược lại và về phía trước dài bằng khóa OR/NOR được khóa. Do đó, khóa OR/NOR được dùng để điều khiển hoạt động của hệ thống. Chú ý điều chỉnh độ nghiêng không trực tiếp điều chỉnh tần số dao động của đầu ra của bộ dao động đa hài.

Hình 6.27

262

Bộ đa hài phiếm định

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 6.28

Bộ định thời sử dụng bộ đa hài và bộ đếm nhị phân

Hình 6.28 cho ta thấy một mạch ở đó bộ đa hài phiếm định và một bộ đếm nhị phân được tổ hợp để thực hiện việc định thời. Chẳng hạn, cửa S của khóa OR/NOR cảm biến các sự kiện xảy và hiển thị các chỉ báo I1 , I2 và I3 . Giả thiết rằng bộ đa hài phiếm định dao động 1 chu kỳ/giây, khi đó bộ đếm nhị phân 12 bit sẽ định thời lên đến 4095 giây hoặc 68.25 phút. Khi S không khóa, bộ đếm dừng và hiển thị tất cả thời gian trong dưới dạng nhị phân. 6.7

Điều khiển logic hệ thống thủy lực Mạch thủy lực hoạt động ở áp suất thường nhỏ hơn 15 psi để tạo ra một hàm logic cần thiết điều khiển hoạt động của lưu chất hoặc van thủy lực để điều khiển van thủy lực cho hệ thống điều khiển thủy lực trong tất cả các hệ thống. Các thiết bị liên quan được sử dụng để tương tác giữa khí thủy lực trung gian và khí khí nén trung gian hoặc dầu thủy lực trung gian. Khí thủy lực khô và đường khí phải giữ trong phạm vi từ 100-150 psi nguồn khí cấp minh họa bởi hệ thống khí. Hệ thống này phải được làm sạch nghiêm ngặt và khí phải khô cần thiết cho mạch thủy lực. Trong mục này chúng ta đưa ra một số mạch thông dụng ở đó thủy lực được sử dụng để điều khiển hệ thống thủy lực. Hình 6.29 cho ta thấy một ứng dụng được thực hiện bởi nút ấn start và một số công tắc giới hạn khí để đổi chiều xy-lanh khí. Khi ấn nút start flip-flop tác động điều khiển lên van V1 làm cho xy-lanh thực hiện hành trình ra với nguồn khí là 100 psi. Khi công tắc giới hạn V3 thường đóng tác động tín hiệu nguồn khí 8 psi qua van thoi V4 để chuyển trang thái flip-flop. Flip-flop này sẽ tác động điều khiển lên van V2, và xy-lanh 2 thực hiện hành trình vào. Nút ấn khống chế dùng để tránh công tắc giơi hạn khí. Nếu công

263

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

tắc khống chế được ấn (trong khi xy-lanh đang thực hiện hành trình ra), nó sẽ lập tức làm cho xy-lanh thực hiện hành trình vào.

Hình 6.29

Điều khiển xy-lanh khí sử dụng flip-flop

Trình tự điều khiển hai xy-lanh khí được thực hiện bởi mạch ở hình 6.30 hệ thống này bao gồm hai van kết hợp (V1 và V2) và một flip-flop một cổng OR/NOR, hai công tắc giới hạn thường đóng và công tắc chuyển mạch khí (V3 và V4) và hai xy-lanh khí. V1 (NC)

CYLINDER 1

8 PSI

V2 (NC)

CYLINDER 2

8 PSI

V1

V2

100 PSI

100 PSI 8 PSI

8 PSI

8 PSI

OR/NOR PUSH BUTTOM

+ FIP FLOP

Hình 6.30

Mạch điều khiển trình tự hai xy-lanh thủy lực

Khi nút ấn van được giải phóng trình tự chu kỳ xảy ra như sau: 1. Xy-lanh 1 thực hiện hành trình ra 2. Xy-lanh 2 thực hiện hành trình ra 3. Cả hai xy-lanh thực hiện hành trình vào Chu kỳ được lặp lại mỗi lần bằng nút bấm. Hình 6.31 cho ta thấy một mạch điều khiển sự chuyển động qua của xy-lanh thủy lực có cần hai phía. Mạch này bao gồm hai cổng NOR, hai tia ngắt một van điều khiển bốn cửa 264

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

3 vị trí, một flip-flop, 1 công tắc chọn chế độ, và một xy-lanh thủy lực. Với công tắc chuyển mạch ở vị trí OFF, giả sử van nằm ở vị trí không bởi vì không có đầu ra từ flipflop đến điều khiển van. Do đó, xy-lanh thủy lực bị khóa. Khi công tắc chọn chế độ chuyển sang vị trí ON, thì bên phải của van được điều khiển. Do đó, xy-lanh di chuyển sang bên phải cho đến khi cần xy-lanh ngắt tia điều này sẽ làm cho cổng NOR ở phía bên phải chuyển trạng thái đến đầu ra 01 để chuyển trạng thái flip-flop. Tín hiệu ra từ flip-flop sẽ điều khiển ở vị trí phía bên phải của van làm cho xy-lanh di chuyển về phía bên trái. Khi cần ở phía bên phải đi vào ở vị trí cuối cùng nó sẽ ngắt tia ở phía bên ấy, cổng OR ở phía bên phải sẽ chuyển mạch ngược lại đến đầu ra 02. Nhưng đầu ra 02 sẽ không chuyển mạch flip-flop bởi vì nó có nhớ. Khi cần xy-lanh ở vị trí cuối ở phía bên trái ở phía bên trái ngắt tia ở phía bên đó, cổng NOR ở phía bên trái chuyển đến đầu ra 01. Đầu ra này chuyển đầu ra của flip-flop đến cửa điều khiển ngược lại điều khiển van sang phía bên phải để điều khiển xy-lanh sang phải. Do đó, xy-lanh tiếp tục chuyển động qua lại cho đến khi công tắc chọn chế độ chuyển sang vị trí OFF. Công tắc này dừng chuyển động của xy-lanh thủy lực và van được hồi về vị trí không nhờ lò xo. Chú ý mỗi tia ngắt có thể thay bằng một công tắc giới hạn khí thường mở mà đầu ra của chúng được nối với đến cửa điều khiển của cổng NOR tương ứng.

Hình 6.31

Tự động chuyển động qua lại của xy-lanh thủy lực

Trong hình 6.32 cho ta thấy một ứng dụng dây chuyền sản suất các hộp có kích cỡ khác nhau được di chuyển trên cùng một băng chuyền. Ở một vị trí đã cho hộp cao được đẩy 265

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

sang băng chuyền thứ hai trong khi hộp thấp tiếp tục di chuyển trên cùng một băng chuyền. Hệ thống này bao gồm 1 xy-lanh khí tác động hai cần hai công tắc khí thường đóng (NC), một van kết hợp và một flip-flop. Khi hộp cao tác động vào công tắc giới hạn V1 flip-flop sẽ chuyển mạch đến đầu ra 01. Cửa điều khiển này sẽ dịch chuyển van V3 để dịch chuyển xy-lanh sang bên phải để đẩy hợp cao sang băng chuyền số hai. Sau đó nút ấn cần xy-lanh tác động vào công tắc giới hạn V2 công tắc giới hạn này sẽ chuyển đầu ra của flip-flop ngược trở về 01. Đầu ra này điều khiển dịch chuyển van V2 để di chuyển xy-lanh ngượi lại sang trái và chu kỳ được lặp lại khi có hộp cao khác.

Hình 6.32

Hệ thống xếp hộp thủy lực

Câu hỏi và bài tập

266

1.

Thủy lực là gì?

2.

Trình bày những thuận lợi của việc sử dụng thủy lực trong công nghiệp.

3.

Tại sao gọi thủy lực là “trí lực” và công suất thủy lực là “cơ bắp” khi sử dụng thủy lực để điều khiển hệ thống thủy lực.

4.

Định nghĩa hàm AND.

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

5.

Định nghĩa hàm OR.

6.

Flip-flop là gì? Làm thế nào để sử dụng nó làm việc.

7.

Sự khác nhau giữa có hai trạng thái ổn định và thiết bị đơn ổn là gì?

8.

Làm thế nào để làm một flip-flop khác ưu tiên trong hoạt động từ một flip-flop cơ bản?

9.

Làm thế nào để làm một SRT khác trong hoạt động từ một flip-flop cơ bản?

10. Sự khác nhau giữa cổng OR và cổng EXCLUSIVE OR? 11. Đối với mạch hình 6.33, sẽ xảy ra điều gì đối với xy-lanh khi a.

Nút ấn chuyển mạch được nhả ra tức thời?

b.

Công tắc chọn chế độ đóng?

Hình 6.33

Sơ đồ mạch câu 11

12. Đối với mạch hình 6.34, sẽ xảy ra điều gì đối với xy-lanh khi a. 1-PB đươc ấn và giữ? b. 1-PB và 2-PB cả hai đươc ấn và giữ?

Hình 6.34

267

Sơ đồ mạch câu 12

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

13. Đối với mạch hình 6.35 điều gì sẽ xảy ra đối với hai xy-lanh khi nút start được ấn tức thời. Giả thiết hai xy-lanh đi vào tại thời điểm ban đầu. 14. Thiết bị các bộ phận chuyển động logic là gì? 15. Tên của 3 trường hợp mà thiết bị các bộ phận chuyển động logic có thể được tác động. 16. Một của một sự thuận lợi của các bộ phận chuyển động logic so với hệ thống thủy lực. 17. Cần phải làm gì đối với hệ thống thủy lực để đảm bảo nó sẽ hoạt động chính xác?

6.35

Sơ đồ mạch câu 13

18. Tên của hai chức năng hữu dụng cung cấp bởi đại số Boolean.

268

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

CHƯƠNG 7 ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC LIÊN TỤC

Mục đích, yêu cầu: Cung cấp cho sinh viên cấu trúc, hoạt động và cách lập sơ đồ khối, chứng minh các biểu thức của các bộ điều khiển thủy lực. (1.0.2) 7.1

Bộ điều khiển tích phân thủy lực

Hình 7.1

Bộ điều khiển tích phân thủy lực

Gọi q là lưu lượng dầu [kg/s], là mật độ dầu [kg/m3 ], ta có: A. . dy = q. dt q = K1 . x A. . 269

dy = K1 . x dt

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

A. . s. Y(s) = K1 . X(s) Y(s) K1 K = = X(s) A. . s s 7.2

Bộ điều khiển tỷ lệ thủy lực

Hình 7.2

Bộ điều khiển tỷ lệ thủy lực (a) Nguyên lý cấu tạo (b) Sơ đồ khối b

K

. Y(s) = a+bK s a E(s) 1 + .

s a+b

Trong điều kiện bình thường, (K⁄s)[a⁄(a + b)] ≫ 1, nên: Y(s) b = = Kp E(s) a

7.3

Bộ giảm chấn thủy lực

Hình7.3 Giảm chấn thủy lực (a) Nguyên lý cấu tạo (b) Đáp ứng bước, (c) Sơ đồ khối

270

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Gọi q là lưu lượng dòng chảy qua bộ giới hạn, R là sức cản dòng chảy qua bộ giới hạn. Ta có: A. (P1 − P2 ) = k. y q=

P1 − P2 R

q. dt = A. . (dx − dy) dx dy q P1 − P2 ky − = = = dt dt A RA RA2  dx dy ky = + 2 dt dt RA  sX(s) = sY(s) +

ky . Y(s) RA2 

Y(s) s = X(s) s +

k

RA2 

Đặt T = RA2 ⁄k, ta có: Y(s) Ts = X(s) Ts + 1 7.4

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân thủy lực

Hình 7.2

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân thủy lực (a) Nguyên lý cấu tạo (b) Sơ đồ khối

Hàm truyền bộ điều khiển là: b

K

. Y(s) a+b s = E(s) 1 + Ka .

T

a+b Ts+1

271

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Trong điều kiện bình thường, KaT/[(A + b)(Ts + 1)] ≫ 1, nên Y(s) 1 = K p (1 + ) E(s) Ti s Với: b RA2  K p = ; Ti = T = a k 7.5

Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân thủy lực

Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân thủy lực (a) Nguyên lý cấu tạo (b) Sơ đồ khối

Hình 7.2

Ta có: k. (y − z) = A. (P2 − P1 ) q=

P2 − P1 R

q. dt = A. dz y=z+

A RA2  dz qR = z + . k k dt

Với: RA2  T= k Hàm truyền bộ điều khiển là: Y(s) = E(s) 1 +

272

b

.

K

a+b s a K

. .

1

a+b s Ts+1

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Y(s) = K p (1 + Ts) E(s) Với: RA2  T= k

b Kp = ; a 7.6

Các ví dụ về hệ thống điều khiển thủy lực

a.

Hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Cdh = (qi − qo + qd ). dt qo = x=

h R

a .h a+b

dy = K1 x dt qi = −K v y C.

dh h = −K v y − + qd dt R dy K1 a = .h dt a + b

Đặt:

273

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

x1 = h x2 = y u = qd Ta có: ẋ 1 = −

1 Kv 1 . x1 − . x2 + . u RC C C ẋ 2 =

K1 a .x a+b 1

1 ẋ [ 1 ] = [ RC K1 a ẋ 2 a+b −

ℎ = [1

Kv 1 C ] [x1 ] + [ ] 𝑢 C x2 0 0

−

x1 0] [ x ] 2

Từ đó ta vẽ được sơ đồ khối:

Hình 7.x

b 274

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức chất lỏng

Bộ điều khiển ống phun thủy lực

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Lưu lượng vào xy-lanh: q = K1 . x A. dy = q. dt Với A là diện tích piston,  là mật độ dầu. dy q K1 = = x = Kx dt A A Hàm truyền của hệ thống là: Y(s) K = X(s) s c

275

Hệ thống điều khiển lưu lượng sử dụng ống phun thủy lực

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

d

Hệ thống điều khiển servo thủy lực Giả sử [𝐾1 𝑎1 ⁄𝑠(𝑎1 + 𝑎2 )] ≫ 1 và [𝐾2 𝑏1 ⁄𝑠(𝑏1 + 𝑏2 )] ≫ 1, a2

K

. Z(s) a2 a1 + a 2 a 2 a1 +a2 s = = . = E(s) 1 + K1 . a1 a1 + a 2 a1 a1 s

a1 +a2

W(s) a1 + a2 + a3 Z(s) a3 a2 + a3 = . + = E(s) a1 + a 2 E(s) a1 + a2 a1 Y(s) = W(s) 1 +

K2 s b1 b1 +b2

.

K2 s

=

b1 + b2 b1

Z(s) 𝑌(𝑠) 𝑊 (𝑠) (𝑎2 + 𝑎3 )(𝑏1 + 𝑏2 ) = . = E(s) 𝑊 (𝑠) 𝐸 (𝑠) 𝑎1 𝑏1 276

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hình 7.x

e

277

Hệ thống điều khiển tốc độ

Hệ thống điều khiển servo thủy lực (a) Cấu tạo hệ thống (b) Sơ đồ khối hệ thống

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

Hệ thống điều khiển tốc độ

Hình 7.x Hàm truyề hệ thống:

Y(s) a2 = . E(s) a1 + a2 1 +

K s a1

.

bs

.

K

a1 +a2 bs+k s

Với điều kiện: |

𝑎1 𝑏𝑠 𝐾 . . |≫1 𝑎1 + 𝑎2 𝑏𝑠 + 𝑘 𝑠

Hàm truyền sẽ là: Y(s) a2 a1 + a2 bs + k a2 k = . . = (1 + ) E(s) a1 + a2 a1 bs a1 bs

Hình 7.x

278

Sơ đồ khối hệ thống

Bài giảng Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí

279

Bai Giang Thuy Khi.docx

Overview

More details

Related Documents

Bai Giang Thuy Khi.docx

Bai Giang Thuy Luc_2018.pdf

Bai Giang

Bai Giang

Bai Giang

Bai-giang

More Documents from ""

Plc-scada.pdf

Bai Giang Thuy Khi.docx

Petunjuk Penggunaan Apar.docx

April 14, 2006

Soal Aswaja Bu Umi.docx

Contoh Proposal.docx