Bài giảng Hệ thống khí nén thủy lực - Chương 1: Tổng quan về truyền động KN-TL - Nguyễn Thanh Điều

MÔN HỌC: HỆ THỐNG KHÍ NÉN – THỦY LỰCPneumatic and Hydraulic Systemhệ thống khí nén thủy lựcNguyễn Thanh ĐiểuĐại học công nghiệp TPHCM110/28/2020Mục tiêu của môn họcHiểu chức năng, nguyên lý làm việc của các phần tử khí nén, điện -khí nén, thủy lực, điện thủy lực.Có kiến thức để thiết kế mạch điều khiển khí nén, thủy lực điện khí nén, thủy lực, điện.Đọc và phân tích được các hệ thống điều khiển bằng khí nén, thủy lực, điện thủy lực trong thực tế.Phát hiện lỗi cúa các phần tử và hệ thống, sữa chữa và bảo dưỡng hệ thống.210/28/2020Pneumatic and Hydraulic SystemLý thuyết: 30 tiếtChương 1: Tổng quan về truyền động KN-TLChương 2: Cung cấp, xử lý và phân phối nguồn năng lượngChương 3: Các phần tử trong hệ thống khí nénChương 4: Các phần tử trong hệ thống thủy lựcChương 5: Mạch ĐK khí nén-thủy lực Chương 6: Mạch ĐK điện-khí nén, điện-thủy lực Chương 7: Van thủy lực tuyến tính Thực hành: 30 tiết (Học tại phòng X3.--)MÔN HỌC: HỆ THỐNG KHÍ NÉN – THỦY LỰC10/28/2020Tài liệu tham khảoTài liệu tham khảo chính: [1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo dục, 1999. [2] TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, NXB Giáo dục, 2006 [3] TS. Lê Hiếu Giang, Hệ thống khí nén trong công nghiệp, NXB ĐHQG Tp. HCM, 2011 [4] Nguyễn Ngọc Phương- Nguyễn Trường Thịnh, Hệ thống điều khiển tự động khí nén, NXB KHKT. HCM, 2012Các tài liệu khác [1] Andrew A. Parr, Hydraulics and Pneumatics, Elsevier Science & Technology Books410/28/2020CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN – THỦY LỰCMÔN HỌC: HỆ THỐNG KHÍ NÉN – THỦY LỰCPneumatic and Hydraulic System510/28/2020CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG  KHÍ NÉN- THỦY LỰC1.1. Tổng quan 1.1.1. Lịch sử 1.1.2. Ứng dụng 1.1.3. Ưu và nhược điểm 1.2. Cơ sở lý thuyết 1.2.1. Đơn vị sử dụng 1.2.2. Áp suất 1.2.3. Lực 1.2.4. Lưu lượng 1.2.5. Các định luật khí 1.3. Bài tập ứng dụng 610/28/202010/28/20207TỔNG QUANTỔNG QUANKhí nén là một phần của lưu chất với không khí hoặc các loại khí khác được nén lại. Pneumatics: xuất phát từ tiếng Hy Lạp là Pneuma có nghĩa là khí, gió hoặc hơi thở. Điều khiển khí nén được thiết kế với mục đích hướng dòng chảy của khí nén theo các mạch để điều khiển cơ cấu chấp hành. Các dòng chảy dưới dạng năng lượng khí nén sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến hay quay.810/28/2020LỊCH SỬ Cuối thế kỷ XVII, Torricelli, Mariotte và sau đó là Bernoulli đã tiến hành nghiên cứu các lý thuyết và ứng dụng liên quan đến áp suất và lực đi ra từ các lỗ trên các thùng chứa nước và các đường dẫn. Blaise Pascal đưa ra các định luật nền tảng của khoa học thủy lực. Cuối những năm 1930 và đặc biệt là trong khoảng thời gian chiến tranh TG thứ II, các hệ thống điều khiển bằng lưu chất được sử dụng rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc sản xuất.Vào năm 1951 các ứng dụng trong công nghiệp tăng rất nhanh, các hội nghị được tổ chức như Detrit, Michigan với mục đích hình thành nên một tiêu chuẩn cho các thiết bị khí nén và thủy lực. Vào năm 1966, một hệ thống ký hiệu được đưa ra bởi Viện tiêu chuẩn Hoa Kỳ (United States America Standards Institute). Khi chúng ta sử dụng các ký hiệu này, người bảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các thiết bị trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi hư hỏng của hệ thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất. 910/28/2020Ứng dụng truyền động khí nénTrong lĩnh vực khai thác: khai thác đá, than, xây dựng hầm mỏ, đường hầm.. Lĩnh cực điều khiển:Các thiết bị phun sơn, đồ gá kẹp chi tiết nhựa, sản xuất các thiết bị điện tử, rửa tự động, mạ điện , đóng gói bao bì trong công nghiệp hóa chất, y học, sinh học..1010/28/2020Chuyển động quay: dụng cụ vặn vít từ M4-M300, máy khoan, máy màiChuyển động thẳng: đồ gá kẹp chặt chi tiết, máy gia công gỗ, hệ thống phanh hãm ôtô, vận chuyển xi măngỨng dụng truyền động Thủy lực1110/28/2020Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp như: máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy công cụ gia công kim loại, máy dập, múc xúc, máy tời... Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dịch vào chai bằng hệ thống khí nénỨng dụng truyền động khí nén- Thủy lực1210/28/2020Ứng dụng truyền động khí nén- Thủy lực1310/28/2020Hệ thống nâng bảo dưỡng xeTay máy gắp sản phẩm bằng khí nénỨng dụng truyền động khí nén- Thủy lực1410/28/2020Máy cán thủy lựcMáy ép đế giàyỨng dụng truyền động khí nén- Thủy lực1510/28/2020Ứng dụng truyền động khí nén- Thủy lựcVận chuyển bằng khí nénĐóng gói sản phẩm1610/28/2020Ứng dụng truyền động khí nén- Thủy lực1710/28/2020Cánh tay Robot phân loại sản phẩm28/10/2020Máy khoan tự động bằng khí nénỨng dụng của truyền động KN, TL28/10/2020Ứng dụng của truyền động KN, TLCánh tay Robot phân loại sản phẩmỨng dụng truyền động khí nén- Thủy lực2010/28/2020Xy lanh AXy lanh BS1S2S3S4B1Quy trình đẩy chi tiết với hai xy lanh Ứng dụng truyền động khí nén- Thủy lực2110/28/2020So sánh hệ thống khí nén, thủy lựcCác chỉ tiêu so sánhKhí nén Thủy lựcÁp suất(5-10) bar (1-400) bar hoặc lớn hơnLựcNhỏ trung bìnhLớnGiá thành các phần tửRẻ, (cho phép rò rĩ khí)Đắt (5-10) lần khí nén, độ chính xác cao, không rò rĩ dầuĐường truyền dẫnỐng nhựa, lắp ráp nhanh bằng tay. Không có đường hồi khí về sau sử dụngỐng dẫn làm bằng kim loại, đầu nối phức tạp, đắt tiềnCó hệ thống hồi dầu về bể chứaĐộ chính xác vị trí hành trìnhÍt tốt hơn , vì không khí bị nénTốt, vì dầu không có sự đàn hồiNguồn năng lượngkhíDầuTạo chuyển động thẳngĐơn giản nhờ xi lanh truyền lựcĐơn giản nhờ xi lanh truyền lực2210/28/2020Ưu nhược điểm khí nénƯU ĐIỂMĐộ an toàn làm việc cao trong môi trường dễ cháy nổ và có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt như phóng xạ hoặc hoá chất.Độ tin cậy làm việc cao.Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản.Dễ dàng tự động hoá.Thời gian đáp ứng nhanh, tác động nhanh và có thể làm việc từ xa. Giá thành thiết kế hệ thống rẻ.2310/28/2020NHƯỢC ĐIỂMKích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có cùng công suất.Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của hệ thống.Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn.Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình.Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng lại ở vị trí trung gian cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống khác.Ưu nhược điểm khí nén2410/28/2020Ưu nhược điểm Thủy lựcƯU ĐIỂMTruyền cơng suất cao, lực lớn, áp suất lớn.Điều chỉnh vơ cấp về lực, hành trình, tốc độ.Dễ đề phịng quá tải.Làm việc êm, ít ồn hơn khí nén.Khơng cần bơi trơn. Điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành.Ứng dụng các tải trọng cao.2510/28/2020NHƯỢC ĐIỂMTổn thất cao, hiệu suất thấp so với truyền động khí nén.Nhiệt độ làm thay đổi độ nhớt của dầu ảnh hưởng đến thông số kỹ thuật.Dễ rò rĩ dầu lãng phí dầu, ảnh hưởng môi trường.Các phần tử( van, xi lanh, ống dẫn, đầu nối..) yêu cầu độ chính xác cao giá thành cao.Ưu nhược điểm thủy lực2610/28/2020CƠ SỞ LÝ THUYẾTĐẶC TÍNH CỦA KHÍ Khí là một trong ba trạng thái cơ bản của vật chất. Khí cũng có đặc tính tương tự với chất lỏng là không có hình dạng xác định mà có hình dạng phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa và áp suất truyền theo mọi hướng. Khí khác với chất lỏng là không có thể tích cố định. Khí có thể được nén ở áp suất cao còn chất lỏng thì chỉ nén được với một thể tích rất nhỏ (có thể được xem như không nén được).2710/28/2020TỶ TRỌNG Các thí nghiệm ban đầu về các trạng thái khí và không khí được thực hiện bởi các nhà khoa học như Boyle và Charles. Các kết quả của các thí nghiệm chỉ ra đặc tính của khí theo các quy luật sau, quy luật này được biết như là định luật khí lý tưởng. = R = const (hằng số) P: Áp suất tuyệt đối (bar).V: Thể tích (m3 ).T: nhiệt độ (0K).CƠ SỞ LÝ THUYẾT2810/28/2020ĐƠN VỊ SỬ DỤNGCó 3 hệ thống đơn vị thường được sử dụng là: Hệ thống đơn vị Metric: mét, kilôgram và giây Hệ thống Imperial System: foot, pound, giâyHệ thống đơn vị SI: mét, newton, giây2910/28/2020ÁP SUẤTÁp suất khí quyển: Đây là áp suất tạo ra trên bề mặt trái đất bằng khối lượng không khí bao quanh trái đất là 14,7 psi (Pound/inch). Áp suất khí quyển là áp suất không khí bao quanh chúng ta (1 bar)Áp suất dư (Áp suất tương đối): áp suất sẽ được đo với mức chuẩn là áp suất khí quyển. Áp suất dư bằng 0 chính là áp suất khí quyểnÁp suất tuyệt đối: Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển. Áp suất khí quyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dịch trong chân không (1013 mbar = 1000 mbar) 3010/28/2020ÁP SUẤTChân không tuyệt đốiPvPgPabÁp suất khí quyểnQuan hệ các loại áp suất 1 atm1,033 at1,013 barÁp suất dưChân khôngPVí dụ: Bơm xe đạp3110/28/202010/28/202032Quan hệ các loại áp suất ÁP SUẤT Áp suất khí nén: áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích. (N/m2) 1Pa=1N/m2 = 10-5 bar1bar= 105 N/m2 = 105 Pa1atm= 1,033at= 1,013bar3310/28/2020LỰCKhí nén tạo thành lực với giá trị bằng áp suất tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích tác dụng. Dung dịch trong bình được cung cấp áp suất và chuyển thành lực.Như vậy lực đẩy ra của piston sinh ra bởi áp suất khí được tính bằng cách nhân diện tích hiệu dụng với áp suất. Với : F : Lực đẩy ra của piston (N).D : Đường kính piston (m).P : Áp suất khí nén cấp lên xy lanh (N/m2).D mP bar3410/28/2020LƯU LƯỢNGLưu lượng được đo là một thể tích không khí tự do đi qua trong một đơn vị thời gian. Đơn vị thường sử dụng: Lít hoặc dm3 trên giây : l/s hoặc dm3/s. Thể tích trên phút : m3/ph. Thể tích đo trên đơn vị feet trên 1 phút : scfm. Lưu lượng thường được tính bằng lít khí tự do trên một đơn vị thời gian. - 1 m3/s = 35.31 scfm.- 1 dm3/s = 2.1 scfm. - 1 scfm = 0.472 l/s.- 1 scfm = 0.0283 m3/phút.Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí3510/28/2020CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍĐịnh luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ. Khi áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối.Đẳng áp : Đẳng tích : Đẳng nhiệt : P.V = const 3610/28/20200246816024681012Volume VP (bar)P1.V1 = P2.V2 = constant101214141602468160246810121012141416VP1.V1 = P2.V2 = constantP (bar)02468160246810121012141416VP1.V1 = P2.V2 = constantP (bar)02468160246810121012141416VP (bar)P1.V1 = P2.V2 = constantĐẲNG NHIỆTĐịnh luật Boyle-Mariotte: Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí luôn là hằng số nếu nhiệt độ của khí không thay đổi.Biểu đồ đẳng nhiệtCÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ3710/28/2020CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍĐẲNG TÍCH051020-60-40-200204060Nhiệt độCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K) T2(K) = c= P (bar)051020-60-40-200204060158010002468bar10121416P1 P2T1(K) T2(K) = c= Nhiệt độCelsiusP (bar)051020-60-40-200204060Nhiệt độCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K) T2(K) = c= P (bar)Nhiệt độCelsius0510-60-40-200204060P (bar)158010002468bar10121416P1 P2T1(K) T2(K) = c= Từ định luật Boyle và Charles chúng ta có thể nhận thấy rằng nếu thể tích của một khối khí được giữ ở một giá trị không đổi thì áp suất sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối 0K. Định luật Gay-Lussac: Áp suất tuyệt đối của khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó (thể tích khí không đổi V = const).00C = 2730K.3810/28/2020CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ00.250.50.7512-60-40-200204060VNhiệt độ (Celsius)1.251.51.7580100293KV1 V2T1(K) T2(K) = c= 00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeNhiệt độ (Celsius)1.251.51.7580100366.25KV1 V2T1(K) T2(K) = c= 00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeNhiệt độ (Celsius)1.251.51.7580100219.75KV1 V2T1(K) T2(K) = c= 00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeNhiệt độ (Celsius)1.251.51.7580100366.25K219.75K293KV1 V2T1(K) T2(K) = c= Biểu đồ đẳng ápĐẲNG ÁPĐịnh luật Charles: Với một khối khí ở áp suất không đổi thì thể tích sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.Như vậy theo định luật Charles: Thể tích của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (áp suất không thay đổi )3910/28/2020Bài tập Chương 1 Bài tập 1.2:Người ta dùng 1 máy nén khí có lưu lượng hút (ở điều kiện tiêu chuẩn T=273oK ; P=1,013 bar) là V=2,5m3/phút để nén không khí vào 1 bình chứa có thể tích 1m3. Hỏi cần thời gian nén là bao lâu để áp kế bình chứa chỉ 6bar. Biết nhiệt độ khí trong bình lúc đó là 298oK. (t=2,54 phút)10/28/2020 chân thành cảm ơn!4210/28/2020