NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ CỦA XI LANH THỦY LỰC THEO THUẬT TOÁN PID SỬ DỤNG PLC S7-200

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp nước ta,
các hệ thống thủy lực-điện ngày càng được ứng dụng sâu rộng. Các hệ thống
thủy lực-điện được ứng dụng cả trong quân sự cũng như dân sự nhờ những ưu
điểm của nó so với hệ thống điện tử, cơ khí hay thủy lực đơn thuần. Hệ thống
thủy lực-điện có thể truyền động được công suất cao, sinh lực lớn, cơ cấu đơn
giản với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng. Đặc biệt, trong
những bài toán yêu cầu điều khiển chính xác vị trí, thì sử dụng hệ thống thủy lực
là ưu việt hơn so với hệ động cơ hay khí nén.
Mục đích của đồ án “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí
của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200” là để tìm hiểu rõ
hơn ưu điểm của hệ thống thủy lực trong công nghiệp, thiết kế hệ thống thủy lực
điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực sử dụng bộ điều khiển là PLC S7-200.
Để hoàn thành đồ án đúng với tiến độ, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới thầy giáo Thượng úy Nguyễn Mạnh Hùng và các thầy cô trong bộ môn Tự
động và kỹ thuật tính đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thiện đồ
án. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em về mặt tinh thần
trong thời gian thực hiện đồ án này.
Với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án không tránh khỏi những
sai sót trong quá trình thực hiện. Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến nhiệt
tình từ các thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô !
Hà Nội, ngày 17 tháng 04 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Vũ
5
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC

1.1. Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực
Ngày nay, các ứng dụng công nghiệp sử dụng hệ thống thủy lực được sử
dụng rộng rãi trong đời sống, trong cả quân sự và dân sự. Các hệ thống thủy lực
đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp, trong sự phát triển tự
động hóa cũng như trong đời sống con người.
1.1.1. Hệ thống điều khiển thủy lực
Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu
chấp hành được kết nối với nhau, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện
những nhiệm vụ nhất định theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như Hình 1.1.
Hình 1.1. Hệ thống điều khiển thủy lực
- Tín hiệu vào: là các nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến.
- Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định,
làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Có thể là van logic And, Or, Not,
Rơ le, hoặc PLC.
- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo yêu
cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van
tiết lưu, van tỉ lệ, van servo, van on/off…
- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra
của mạch điều khiển: xi-lanh thủy lực, động cơ thủy lực…
- Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất.
6
+ Phần thông tin: điện tử, điện cơ, dầu thủy lực, quang học…
+ Phần công suất: Điện-công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, tác động
nhanh. Thủy lực-công suất lớn, quán tính ít, do đó dễ ổn định, tốc độ thấp.
1.1.2. Các loại tín hiệu điều khiển
Trong điều khiển thủy lực nói chung, chúng ta sử dụng 2 loại tín hiệu.
+ Tín hiệu tương tự + Tín hiệu rời rạc (số)
1.1.3. Điều khiển vòng hở
Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống không có sự so sánh giữa tín
hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào, giá trị thu được và giá trị cần đạt không được

điều chỉnh, xử lý. Hình 1.2 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực.
Hình 1.2. Hệ thống điều khiển vòng hở điều khiển tốc độ động cơ thủy lực
1.1.4. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)
Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản
hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào/ra được
gửi tới thiết bị điều khiển, thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối
tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được chất lượng điều khiển mong
muốn. Hình 1.3 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của cán xi-lanh thủy lực sử
dụng điều khiển vòng kín.
7
Hình 1.3. Minh họa hệ thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh thủy lực
1.2. Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực
Điều khiển vị trí là di chuyển cơ cấu chấp hành đến một vị trí nào đó theo
yêu cầu. Nếu là xi-lanh thủy lực thì vị trí là hành trình dịch chuyển của cán xi-
lanh, nếu là động cơ thủy lực thì vị trí là góc quay động cơ. Tùy theo yêu cầu mà
cán xi-lanh hoặc động cơ thủy lực có thể truyền đến hệ truyền động cơ khí nào
đó như vít me, bánh răng, thanh răng…
Cơ cấu chấp hành trong các bài toán điều khiển vị trí thường là xi-lanh
thủy lực. Hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực là một trong những
ứng dụng quan trọng trong phạm vi các ứng dụng của các hệ thống thủy lực.
Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực thường là hệ thống
điều khiển vòng kín, có sử dụng cảm biến phải hồi vị trí tới phần xử lý thông tin.
Hình 1.3 minh họa 1 hệ thống thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh
thủy lực điển hình.
Van phân phối thủy lực thường sử dụng loại van 3 vị trí. Ứng với 3 vị trí
điều khiển của van thì xi-lanh chuyển động theo chiều thuận, đảo chiều hoặc dừng.
1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển thủy lực
a) Ưu điểm
- Truyền động được công suất cao và sinh lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn
giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng.

- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp nhờ các thiết bị điều khiển kỹ
thuật số hóa, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hoặc chương
trình đã cho sẵn.
8
- Kết cấu nhỏ gọn, ghép nối giữa các thiết bị dễ dàng bằng việc đổi chỗ các mối
nối ống dẫn.
- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ
cấu chấp hành.
- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao.
- Quán tính nhỏ, nhờ tính chịu nén của dầu thủy lực, do đó có thể sử dụng vận
tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay điện.
- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, ngay cả những hệ mạch phức tạp.
- Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa.
- Khả năng chịu quá tải cao.
b) Nhược điểm
- Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu
suất và phạm vi ứng dụng.
- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén của dầu và
tính đàn hồi của đường ống dẫn.
- Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển.
- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay
đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi.
1.4. Phạm vi ứng dụng
Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công
nghiệp, như máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy gia công kim loại, máy dập,
máy xúc, tời kéo. Trong đó, hệ thống điều khiển bám vị trí xi-lanh thủy lực được
ứng dụng cả ở quân sự và dân sự, ví dụ như dàn khoan, máy ép nhựa, cần cẩu
hoặc ở một số xe cứu hỏa, trong những hệ thống cần điều khiển chính xác vị trí.
Dưới đây là một số hình minh họa về ứng dụng của hệ thống điều khiển
thủy lực bám vị trí:

9
Hệ thống cầu dẫn đưa khách lên máy bay
Máy uốn ống
Đóng gói sản phẩm
Máy ép đế giày
1.5 Phương án thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực
Xuất phát từ những ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống
thủy lực nói chung, tính cấp thiết và yêu cầu cần điều khiển chính xác của hệ
thống thủy lực bám vị trí nói riêng, cùng với sự phổ biến của PLC trong công
nghiệp em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí
của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200”.
Trong bài toán này, PLC đưa ra tín hiệu điều khiển van thủy lực, van thủy
lực phân phối dầu thủy lực tới xi-lanh thủy lực tạo chuyển động tiến, lùi cho cán
xi-lanh. Một cảm biến vị trí được gắn dọc trục xi-lanh đưa tín hiệu phản hồi tới
PLC để đọc vị trí cán xi-lanh, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp.
Van thủy lực sử dụng trong hệ thống có thể sử dụng 2 loại van:
- Van on/off.
10
- Van tỉ lệ.
Nếu so sánh với các van đóng mở thông thường (on/off) ta có thể nhận
thấy sự khác nhau cơ bản giữa các van tỉ lệ và van đóng mở thông thường là quá
trình làm việc của cơ cấu điện từ.
Van tỉ lệ có tín hiệu vào cuộn dây điện từ có thể thay đổi tuyến tính. Do
đó, lưu lượng dầu qua van cũng thay đổi tuyến tính.
Van on/off thông thường có tín hiệu dòng điện điều khiển là xung hình thang.
Với van on/off thông thường thì có độ trễ giữa dòng điện áp vào, quãng
đường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng.
Trong thực tế, các hệ thống thủy lực tỉ lệ là một phần quan trọng được
ứng dụng nhiều trong kĩ thuật hiện đại. Van tỉ lệ là một thành phần trong các hệ
thống thủy lực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Một lợi thế

nổi bật của van tỉ lệ là mặc dù lưu lượng qua van có thể điều chỉnh tỉ lệ với điện
áp điều khiển nhưng kĩ thuật sản xuất lại tương đối đơn giản (so với van servo)
do vậy giá thành không cao.
Mục đích của đề tài là sử dụng thuật toán PID trên PLC để điều khiển
chính xác vị trí cho xi-lanh thủy lực, do vậy, với tín hiệu điều khiển tuyến tính
của van tỉ lệ, ta có thể điều khiển mềm mại hơn, chính xác hơn khi có sai lệch
giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế so với van on/off. Tín hiệu điều khiển
cho 2 cuộn dây điện từ van tỉ lệ là tín hiệu tương tự ±10V, do đó hoàn toàn phù
hợp với bộ điều khiển PLC.
Do vậy, trong đề tài đồ án tốt nghiệp của mình, em đã chọn van thủy lực tỉ
lệ làm phần tử điều khiển trong hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy
lực sử dụng thuật toán PID.
Với phương án chọn van tỉ lệ, sơ đồ cấu trúc của hệ thống được thiết kế
như sau:
11
Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển bám vị trí xi-lanh thủy lực
Cơ cấu chấp hành là một xi-lanh thủy lực 1 chiều đi kèm với 1 cảm biến
vị trí giới hạn, sử dụng bộ điều khiển là PLC và bộ van thủy lực tỉ lệ để xây
dựng một hệ thống điều khiển bám vị trí, giám sát vị trí của cán xi-lanh thủy lực.
Phần cứng hệ thống bao gồm hệ thủy lực, hệ cơ khí vào các thiết bị điện-điện tử.
Tín hiệu đặt có thể đưa vào theo 2 chế độ là Auto (tự động) và Manual
(bằng tay). Trong chế độ Auto thì vị trí đặt cho xi-lanh thủy lực được nhập từ
phần mềm SCADA điều khiển giám sát trên máy tính. Trong chế độ Manual thì
vị trí đặt cho xi-lanh thủy lực được thay đổi và đưa vào từ 1 chiết áp xoay lắp
đặt trên tủ điện điều khiển.
Các bước thực hiện lắp đặt hệ thống thủy lực bám vị trí:
- Lắp đặt khâu đo lường là cảm biến vị trí, lắp dọc thân xi-lanh thủy lực.
- Lắp đặt xi-lanh thủy lực lên khung hệ thống.
- Lắp đặt tủ điện điều khiển.
- Xây dựng hàm truyền xi-lanh thủy lực và hiện mô phỏng cùng với bộ

điều khiển trên Matlab/Simulink.
- Lập trình điều khiển cho PLC có sử dụng thuật toán PID.
- Viết phần mềm SCADA trên phần mềm Visual Studio, ngôn ngữ C#.
- Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho HMI Beijer.
1.6. Kết luận chương I
Trong chương I, em đã trình bày tổng quan về hệ thống thủy lực nói
chung, hệ thống điều khiển vị trí cơ cấp chấp hành thủy lực, ưu nhược điểm của
các hệ thống điều khiển thủy lực, từ đó đưa ra phương án thiết kế cho hệ thống
điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực.
Các kiến thức trình bày trong chương I là cơ sở để thiết kế phần động lực
cũng như phần điều khiển ở các chương sau.
12
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG THỦY LỰC
ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ
2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Thiết kế xây dựng phần động lực cho hệ thống điều khiển 3 xi-lanh thủy
lực giống nhau, do đó chỉ cần trình bày thiết kế mô hình động lực cho 1 xi-lanh.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí
13
Bảng 2.1. Bảng kí hiệu các phần tử thủy lực trong hệ thống
2.2. Các phần tử thủy lực trong hệ thống
- Trạm nguồn: gồm những thành phần sau: bơm, động cơ, bộ lọc, bể dầu và
đường ống. Trạm nguồn có nhiệm vụ cung cấp dầu thủy lực có áp suất tính toán
ổn định với lưu lượng và tải làm việc. Yêu cầu kĩ thuật đối với trạm nguồn là
phải đạt được các thông số áp suất và lưu lượng mong muốn, sau đó là các thông
số phụ như tính ổn định nhiệt, rung, sóc và tiếng ồn…
Hình 2.2. Bơm JP10 sử dụng trong hệ thống
14
Chỉ tiêu quan trọng của một trạm nguồn là áp suất và lưu lượng phải đạt

được áp suất và lưu lượng hoạt động của hệ thống, việc thiếu áp cũng như quá
áp đều mang lại những kết quả không mong muốn cho hệ thống (không làm việc
hoặc làm việc không ổn định).
Để ổn định áp suất làm việc cho hệ, trạm nguồn còn sử dụng các van điều
áp, chúng có chức năng giữ cho áp suất làm việc của hệ thống luôn luôn ở trong
tình trạng ổn định. Nếu áp suất bơm cung cấp không lớn hơn một giá trị nhất
định (được đặt trước nhờ lò xo) các van này sẽ không được mở ra, dầu sẽ bị
chặn lại. Chỉ khi nào áp suất mà bơm tạo ra lớn hơn giá trị mặc định van mới mở
ra và dầu (có áp suất nhất định) được đưa tới cơ cấu chấp hành. Điều này đồng
nghĩa với việc áp suất của chất lỏng làm việc luôn lớn hơn một giá trị định
trước, loại bỏ tình trạng hệ thống làm việc với áp suất thấp hơn áp suất tính toán.
Hình 2.3. Van điều áp
- Đồng hồ đo áp suất: cho biết trị số áp suất của chất lỏng làm việc để có thể
điều chỉnh áp suất làm việc theo ý muốn hoặc theo dõi được tình trạng hoạt
động của hệ thống (thiếu hay thừa áp) để từ đó đưa ra những quyết định một
cách hợp lí nhất.
Hình 2.4. Đồng hồ đo áp suất
- Bình tích năng:
Bình tích năng có nhiệm vụ san và bù áp cho hệ thống. Bình tích năng
làm việc như một ắc quy hay tụ bù trong hệ thống điện gồm cả nhiệm vụ bù áp
15
và bù lưu lượng cho hệ thống. Trong trường hợp đặc biệt, khi hệ thống đang làm
việc vì một lí do nào đó các bơm không cấp áp hay các sự cố khác (mất nguồn
điện), khi đó, hệ thống sẽ lấy năng lượng của bình tích năng để đưa các cơ cấu
chấp hành về vị trí ban đầu.
2.3. Giới thiệu các loại xi-lanh thủy lực
2.3.1. Cấu tạo chung
Hình 2.5. Cấu tạo 1 loại xi-lanh thủy lực
- Barrel: Vỏ xi-lanh
- Piston: Quả Piston

- Cylinder rod: Cán xi-lanh
- Gland: Cổ xi-lanh
- Pin eye / Clevis: Tai ghép
- Port: Đường dầu cấp vào/ra xi-lanh
- Piston seal, Rod seal, Wear ring, O-ring, Wiper : Bộ gioăng phớt làm kín.
2.3.2 Các thông số làm việc của xi-lanh
3 thông số quan trọng nhất của một xi-lanh thủy lực là:
- Đường kín lòng xi-lanh (Bore) – D;
- Đường kính cán (rod) – d ;
- Hành trình làm việc (stroke) tức là khoảng chạy của cán xi-lanh – S.
D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/ kéo cho xi-lanh.
S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xi-lanh.
16
2.3.3 Phân loại xi-lanh thủy lực
Các xi-lanh thủy lực thường được phân làm 2 nhóm cơ bản:
- xi-lanh tác động đơn (một chiều)
- xi-lanh tác động kép (hai chiều)
- Xi-lanh tác động đơn:
Xi-lanh tác động đơn chỉ tạo ra lực đẩy 1 phía, thường là phía có cần xi-
lanh, nhờ cấp dầu thủy lực tạo ra áp suất phía đuôi xi-lanh. Cán xi-lanh sẽ tự hồi
nhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực kéo của lò xo bên trong. Điều dễ nhận
biết nhất đối với xi-lanh tác động đơn là nó chỉ có duy nhất 1 cửa cấp dầu.
Hình 2.6. Xi-lanh thủy lực tác động đơn
- Xi-lanh tác động kép:
Xi-lanh tác động kép có thể tạo ra lực đẩy ở cả 2 phía.
Hình 2.7. Xi-lanh thủy lực tác động kép
Các xi-lanh cũng có thể phân chia theo kiểu xếp cán xi-lanh:
Xi-lanh cán đơn 1 tầng hoặc xi-lanh nhiều tầng (telescopic).
- Xi-lanh cán đơn:
Xi-lanh cán đơn là có cán xi-lanh được gắn chặt, cùng chuyển động với

quả piston. Loại xi-lanh này chỉ có thể tạo ra một khoảng chuyển động nhỏ hơn
chiều dài toàn thể của xi-lanh, tức là khoảng làm việc của nó bị giới hạn bởi
17
chiều dài của cán xi-lanh trừ đi chiều dày quả piston và các đoạn lắp ráp bên
trong xi-lanh.
Xi-lanh cán đơn là loại được sử dụng phổ biến và có các ứng dụng rộng
rãi. Phần lớn nó có kết cấu để cán xi-lanh thò ra ở 1 phía của xi-lanh. Một số xi-
lanh có kết cấu với cán xi-lanh ở 2 phía quả piston (được gọi là Double rod end
cylinders). Khi 1 phía cán xi-lanh thò thì cán phía bên kia sẽ thụt vào vỏ xi-lanh.
Hình 2.8. Xi-lanh thủy lực cán đơn
- Xi-lanh nhiều tầng:
Xi-lanh nhiều tầng cũng có 2 loại kết cấu: Xi-lanh tác động đơn và xi-lanh
tác động kép.
Ta cũng có thể phân loại xi-lanh thủy lực theo kết cấu với 2 loại là xi-lanh
hàn và xi-lanh ghép bằng gu-rông (Tie Rod cylinder)
- Xi-lanh ghép gu-rông:
Loại xi-lanh này được lắp ghép và giữ cố định bởi 4 thanh gu-rông thép
cường độ cao khóa ren xuyên suốt giữ các bộ phận từ 2 đầu nắp xi-lanh ( với các
xi-lanh có đường kính lớn có thể có đến 20 thanh gu-rông giữ).
- Xi-lanh kết cấu hàn.
Đầu xi-lanh loại này được hàn với ống xi-lanh giúp xi-lanh có kết cấu
cứng vững thích hợp với các chế độ làm việc nặng trên các thiết bị thi công cơ
giới hoặc công nghiệp nặng.
Trong mô hình hệ thống, em lựa chọn sử dụng xi-lanh tác động kép, loại cán đơn.
2.4. Van phân phối tỉ lệ
2.4.1 Giới thiệu van phân phối
Trong quá trình vận hành hệ truyền dẫn thủy lực xuất hiện nhu cầu thay
đổi hướng chuyển động của cơ cấu chấp hành (xi-lanh thủy lực). Từ đó dẫn tới
18
yêu cầu thay đổi hướng di chuyển của dòng chất lỏng tới những phần khác nhau

trong hệ thống. Để làm được điều đó mà không cần ngừng hoạt động của nguồn
cấp (máy bơm), người ta sử dụng van phân phối. Như vậy chức năng chính của
van phân phối là thay đổi hướng di chuyển của dòng chất lỏng qua đó thực hiện
mục tiêu điều khiển hệ truyền dẫn. Kích thước và khối lượng của van phân phối
tỉ lệ thuận với lưu lượng chất lỏng đi qua nó.
Hình 2.9. Van phân phối
a) Cấu tạo
Hình 2.10. Van phân phối. Sơ đồ (a) – Kí hiệu (b)
Trong hình vẽ , phần tử điều khiển là một ống trụ trượt 1 có các vành gờ.
Bề mặt tiếp xúc của các vành gờ này được gia công nhẵn và có thể trượt tương
đối với vỏ 2. Phụ thuộc vào số cửa trên vỏ 2 (cũng chính là số ống nối với van)
mà ống trượt có thể có 1, 2 hoặc nhiều vành gờ (Hình 2.10.a). Kí hiệu van phân
phối cần thể hiện được số ống nối tới van, số vị trí làm việc, phương pháp điều
khiển van, liên kết giữa các ống ở từng vị trí làm việc. Mỗi vị trí làm việc được
thể hiện bằng 1 hình vuông. Như vậy số vị trí làm việc của van tương ứng với số
hình vuông kí hiệu van đó (Hình 2.10.b). Dựa vào số lượng ống nối, và vị trí
19
làm việc của van người ta đưa ra cách gọi tên các loại van phân phối.“Van phân
phối x/y”.
Trong đó: x – số lượng cửa (tương ứng là số lượng ống nối tới van)
y – số trạng thái (số vị trí làm việc) của van.
b) Nguyên lý hoạt động
Hình 2.11. Nguyên lý hoạt động van phân phối
Tại vị trí ban đầu của van (Hình 2.11a) tất cả các nhánh (ống) nối với van
van A, B, P, T đều bị khóa và xi-lanh đứng yên. Khi con trượt dưới tác động của
tín hiệu điều khiển bị đẩy sang trái (Hình 2.11b) nhánh A và P, B và T được nối
với nhau. Chất lỏng đi từ máy bơm qua cửa P, A đi vào xi-lanh sinh ra lực đẩy,
chất lỏng ở khoang cán đi qua cửa B, T đi về thùng chứa, cán xi-lanh được đẩy
ra. Khi con trượt dưới tác động của tín hiệu điều khiển bị kéo sang phải (Hình
2.11c) nhánh A và T, P và B thông nhau. Chất lỏng đi từ máy bơm đổ vào

khoang cán xi-lanh, đẩy cán xi-lanh lùi vào trong. Chất lỏng từ khoang piston
theo cửa A, P đổ về thùng chứa.
2.4.3 Van phân phối tỉ lệ
Van phân phối tỉ lệ là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thủy
lực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Van tỉ lệ có tín hiệu vào
cuộn dây điện từ có thể thay đổi tuyến tính. Do đó, lưu lượng dầu qua van cũng
thay đổi tuyến tính. Một lợi thế nổi bật của van tỉ lệ là mặc dù lưu lượng qua
van có thể điều chỉnh tỉ lệ với điện áp điều khiển nhưng kĩ thuật sản xuất lại
tương đối đơn giản .
20
Tín hiệu đầu vào dạng điện áp (0 ÷ ± 10V) được chuyển đổi thành tín hiệu
dòng điện (0 ÷ 15A) nhờ bộ khuếch đại được thiết kế trên van.
Nhờ cuộn dây tỉ lệ tín hiệu dòng điện được chuyển đổi thành lực hoặc
chuyển động. Các tín hiệu này đóng vai trò đầu vào van thủy lực tỉ lệ với dòng
hoặc áp suất đầu ra. Cuối cùng, dòng hoặc áp suất sẽ điều khiển cơ cấu chấp
hành (thường là xi-lanh) để điều khiển tốc độ hay momen các thiết bị ngoài.
Thường van tỉ lệ được thiết kế dưới dạng khuếch đại hai cấp (một cấp điện thủy
lực hay một cấp thủy lực đơn thuần).
Hình 2.12. Đặc tính tín hiệu mở van của van on/off và van tỉ lệ
Van on/off thông thường có tín hiệu dòng điện điều khiển là xung hình
thang. Với van on/off thông thường thì có độ trễ giữa dòng điện áp vào, quãng
đường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng.
Van tỉ lệ có tín hiệu điều khiển thay đổi tuyến tính và vô cấp. Van tỉ lệ
dùng lực điện từ để thay đổi vị trí lõi van cấp 1 và 1 điều bất lợi khi sản xuất van
là lực hút lõi van phụ thuộc khá nhiều vào kích thước lõi van.
21
Với van tỉ lệ trực tiếp thì các thông số quan trọng là độ chính xác, các
đường đặc tính cơ bản, các đường đặc tính thời gian. Cuộn dây tỉ lệ trực tiếp
điều khiển đường dầu như các loại van thông thường khác.
Các thành phần cơ bản của van bao gồm thân van, một hoặc hai cuộn dây

tỉ lệ, bộ chuyển đổi vị trí cảm ứng, lõi van và lò xo.
Lõi van được giữ ở vị trí trung gian nhờ các lò xo khi cuộn dây không
được kích hoạt. Lõi van hoạt động trực tiếp theo cuộn dây tỉ lệ. Khi cuộn dây
bên phải có dòng điện chạy qua, sẽ đẩy lõi van sang trái và ngược lại. Độ trượt
của lõi phụ thuộc điện áp cấp cho cuộn dây.
2.5. Tính chọn thiết bị trong hệ thống thủy lực
2.5.1. Tính chọn xi-lanh thủy lực
Trong phạm vi bài toán, các thông số thực tế của xi-lanh về khối lượng,
áp suất, hành trình, vận tốc được yêu cầu như sau:
Khối lượng xi-lanh M = 3 [kg] ;
Áp suất tại cửa dầu xi-lanh P = 150 [bar];
Hành trình làm việc của cán xi-lanh: S = 0.8 [m];
Vận tốc dầu qua cửa dầu xi-lanh: v = 0.366 [m/s].
Từ những yêu cầu trên ta tính chọn các thông số cho xi-lanh thủy lực.
a) Chọn đường kính piston
Ta có:
PfM .=
với
f
là diện tích mặt piston [2.1]
22
4
.
2
pt
D
P
M
f
π

==⇒
[2.2]
4
4. 4. 4.1500.9,81
0,0437 [ ] = 43,7 [mm]
. 3.14.150.9,81.10
pt
f M
D m
P
π π
= = = =
; [2.3]
Chọn D
pt
theo tiêu chuẩn ta được D
pt
= 40 [mm].
b) Áp suất làm việc của xi-lanh
2
2 2
4 4.1500.9,81
11715764 [ / ] 119,4 [ ]
3,14.0,04
pt
M M
P N m bar
f D
π
= = = = =

[2.4]
Vì P = 119,4 < 150 bar nên ta chọn đường kính piston theo tiêu chuẩn của
hãng Atos.
Vì D
pt
= 40 [mm] ta có d
c
= 25 [mm].
c) Bề dày quả piston
Ta có bề dày của quả piston được tính theo công thức:
(0,5 0,8). (0,5 0,8).40 (20 32) [ ]
pt
t D mm
= ÷ = ÷ = ÷
[2.5]
Ta chọn bề dày của quả piston là t = 20 [mm].
d) Tính chọn xi-lanh
Xác định chiều dày của thành xi-lanh:
Chiều dày của thành xi-lanh được tính theo công thức sau:
PeKY
PD
pt
2)./.20(
.
−
=
δ
[2.6]
Trong đó:
-

δ
: chiều dày thành xi-lanh [mm];
- P: áp suất làm việc của xi-lanh [kg/cm
2
];
- σ: ứng suất 520 [N/mm
2
];
- K: hệ số an toàn (K = 2);
- E: hệ số ống làm xi-lanh (E = 1);
- D
pt
: đường kính piston [mm].
Với đường kính piston là D
pt
= 40 [mm] ta có chiều dày thành xi-lanh là:
.
40.119,4
0,96[ ];
(20. / . ) 2 (20.520 / 2.1) 2.119,4
pt
D P
mm
K e P
δ
σ
= = =
− −
[2.7]
23

Theo tiêu chuẩn chọn
4[ ]mm
δ
=
.
e) Xác định chiều dài thành xi-lanh
Với hành trình của xi-lanh là S = 800mm và chiều dày của quả piston là
t=20mm nên chiều dài phần hoạt động của xi-lanh là:
800 20 820[ ].l S t mm
= + = + =
[2.8]
Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống:
Bảng 2.2. Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống
Chi tiết Kí hiệu Giá trị Đơn vị
Đường kính thân ống xi-lanh D 40 [mm]
Đường kính cán xi-lanh d 25 [mm]
Áp suất làm việc P 119.4 [bar]
Bề dày quả piston t 20 [mm]
Bề dày thành xi-lanh
δ
4 [mm]
Hành trình piston S 800 [mm]
Chiều dài phần hoạt động xi-lanh L 820 [mm]
Hệ số an toàn K 2
Hệ số ông làm xi-lanh E 1
Ứng suất
σ
520 [N/mm
2
]

2.5.2. Tính chọn đường ống
Trong đường ống hút hoặc xả thì vận tốc dầu cho phép là [v
hút/xả
] ≤ 3[m/s]
còn trong đường ống có áp thì vận tốc dầu cho phép là [v
p
] ≤ 7 [m/s].
Ta lấy: [v
hút/xả
] = 2 [m/s];
[v
p
] = 4 [m/s].
a) Tính lưu lượng dầu trong xi-lanh
2
3 2
3
.
3,14.(40.10 )
. . 0,366.
4 4
0,00046 [ / ] 27,58 [ / ].
pt
D
Q v f v
m s l ph
π
−
= = =
= =

[2.9]
b) Lưu lượng dầu trong hệ thống
1,2. 1,2.27,58 33,1[ / ];
HT
Q Q l ph
= = =

[2.10]
3
27,58
1,2. 1,2. 1,2.0,00046 [ / ].
1000.60
HT
Q Q m s= = =
Đường kính của đường ống được xác định theo công thức:
24
[ ]
v
Q
d
HT
do
.
.4
π
=
[2.11]
Từ đó thay các giá trị vận tốc dầu cho phép trong các đường ống vào ta có
đường kính của đường ống hút (hoặc xả) và đường ống có áp lần lượt là:

[ ]
4. 4.0,00046.1,2
0,0187 [ ] 18,7 [ ].
. 3,14.2
HT
hx
Q
d m mm
v
π
= = = =
[2.12]
Ta lấy đường kính của ống hút (hoặc xả ) là d
h/xả
= 20 [mm].
[ ]
4. 4.0,00046.1,2
0,013 [ ] 13[ ].
. 3,14.4
HT
hx
Q
d m mm
v
π
= = = =
[2.13]
Ta lấy đường kính của ống có áp là d
p
= 15 [mm].

c) Kiểm nghiệm độ dày đường ống
Chiều dày của thành ống được xác định theo công thức sau:
1
).21.(
).21.(
.
2
−
+−
−+
=
µσ
µσ
δ
P
P
d
o
[2.14]
Trong đó:
-
δ
: độ dày đường ống [mm];
- d: đường kính trong của ống dẫn [mm];
- σ: ứng suất [N/mm
2
];
- µ: hệ số Poison của vật liệu làm ống.
Với ống làm bằng thép có σ = 520 [N/mm
2

]
, áp suất P = 100 [bar] và hệ số
Poison của vật liệu làm ống là µ = 0,3 ta có được chiều dày thành ống có áp là:
6 5
6 5
15 520.10 100.10 .(1 2.0,3)
. 1 1,494 [ ].
2 520.10 100.10 .(1 2.0,3)
mm
δ
+ −
= − =
− +
[2.15]
Ta chọn chiều dày thành ống (cả ống hút và ống đẩy) là δ = 2 [mm] thì đã
đảm bảo được điều kiện bền của đường ống trong hệ thống trên.
2.5.3. Tính chọn bơm nguồn
Hệ thống dùng loại dầu thuỷ lực CS32 có độ nhớt υ = 32.10
-6
[m
2
/s] và
trọng lượng riêng γ = 0,85 [kG/l] = 8,34.10
3
[
N/m
3
]
25
Xác định hệ số tổn thất dọc đường:

Hệ số Reynol:
ν
dv.
Re =
Hệ số Reynol là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ lớn tương đối giữa
ảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy.
Chiều dài đường ống từ bơm nguồn đến xi-lanh là l = 5 [m].
Đường kính đường ống d
ô
= 20 [mm].
Và vận tốc dầu trong đường ống là v = 4 [m/s] nên ta có:
2500
10.32
10.20.4
Re
6
3
==
−
−
[2.16]
Hệ số tổn thất dọc đường được xác định theo công thức:
0447,0
)2500(
316,0
Re
316,0
4/14/1
===
λ

[2.17]
Giả sử hệ số tổn thất cục bộ là ξ = 0,5 và trên đường ống có khoảng 10 vị trí có
xảy ra tổn thất cục bộ.
Theo phương trình Bernoulli ta xác định được tổn thất áp suất trong
đường ống là:
g
v
g
v
d
lp
.2
10
.2

22
ξλ
γ
+=
∆
[2.18]
2
2
3
. .( . 10. )
2.
850 4 5
. .(0,0447. 10.0,5) 1,6 [ ].
9,81.10 2.9,81 0,015
v l

p
g d
bar
γ λ ξ
⇒ ∆ = +
= + =
[2.19]
Vậy áp suất của bơm là: P = 119.4 + 1.6 = 121 [bar].
Lưu lượng của bơm là: Q
B
= Q
HT
= 36.17 [l/ph].
Động cơ điện để dẫn động cho bơm nguồn có số vòng quay lớn nhất là: