Ebook Truyền động thủy lực và khí nén - TS. Ngô Quang Hiếu

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (239.64 KB, 20 trang )

Truyền động thủy lực và khí nén

Power Hydraulics and Pneumatics

TS. Ngơ Quang Hiếu

TS. Trần Trung Tính

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

Mục lục

1 Giới thiệu 2

1.1 Sơ lược các dạng truyền động . . . 2

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực . . 3

1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực . . . 6

1.3.1 Áp suất và áp suất thủy tĩnh . . . 6

1.3.2 Nguyên lý Pascal . . . 7

1.3.3 Phương trình dịng chảy liên tục . . . 7

1.3.4 Phương trình Bernoulli . . . 8

1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực . . . 9

1.4.1 Tổn thất thể tích . . . 9

1.4.2 Tổn thất cơ khí . . . 9

1.4.3 Tổn thất áp suất . . . 9

1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực . . . 9

1.5.1 Định luật Newton . . . 10

1.5.2 Yêu cầu đối với dầu thủy lực . . . 11

1.5.3 Cách lựa chọn dầu thủy lực . . . 12

1.6 Đại lượng vật lý cơ bản trong truyền dẫn thủy lực . . . 12

1.6.1 Áp suất . . . 12

1.6.2 Lực . . . 13

1.6.3 Công . . . 13

1.6.4 Công suất . . . 13

1.7 Ứng dụng hệ thống truyền dẫn thủy lực . . . 13

2 Bơm thủy lực 17
2.1 Phân loại bơm thủy lực . . . 17

2.2 Đại lượng đặc trưng . . . 19

2.3 Bơm dùng trong hệ thống thủy lực . . . 20

2.3.1 Bơm piston . . . 20

2.3.2 Bơm bánh răng . . . 23

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

MỤC LỤC ii

2.3.4 Bơm trục vít . . . 26

3 Van thủy lực 28
3.1 Van điều khiển hướng chuyển động của chất lỏng . . . 28

3.1.1 Van một chiều . . . 28

3.1.2 Van đảo chiều (van phân phối) . . . 29

3.2 Van điều khiển áp suất . . . 34

3.2.1 Van an toàn . . . 34

3.2.2 Van cân bằng - Counterbalance valve . . . 34

3.2.3 Van tuần tự . . . 36

3.2.4 Van giảm áp . . . 36

3.3 Van điều chỉnh lưu lượng . . . 37

3.3.1 Van tiết lưu . . . 37

3.3.2 Van ổn định vận tốc . . . 38

4 Cơ cấp chấp hành thủy lực 39

4.1 Xy lanh thủy lực . . . 39

4.1.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực . . . 39

4.1.2 Phân loại xy lanh thủy lực . . . 41

4.1.3 Cách lắp ghép xy lanh thủy lực . . . 43

4.1.4 Tính tốn xy lanh thủy lực . . . 44

4.1.5 Kiểm tra bền cần piston (trạng thái uốn dọc) . . . 44

4.1.6 Điều kiện làm việc của xy lanh thủy lực . . . 46

4.1.7 Bảo quản và vận hành xy lanh thủy lực . . . 46

4.2 Động cơ thủy lực . . . 48

4.2.1 Động cơ dầu bán quay . . . 48

4.2.2 Động cơ dầu . . . 49

4.2.3 Cơng thức tính tốn động cơ . . . 51

5 Thiết bị phụ 52
5.1 Thùng dầu . . . 52

5.2 Bộ lọc dầu . . . 52

5.3 Thiết bị làm mát . . . 54

5.4 Ống dẫn, đầu nối . . . 54

5.4.1 Ống dẫn . . . 54

5.4.2 Đầu nối . . . 55

5.5 Ắc quy thủy lực . . . 56

5.5.1 Bình ắc quy trọng lực . . . 56

5.5.2 Bình ắc quy chứa lị xo . . . 56

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

MỤC LỤC iii

6 Mạch thủy lực thông thường 58

6.1 Mạch điều khiển áp suất . . . 58

6.1.1 Mạch thủy lực với một van tràn trực tiếp . . . 58

6.1.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp . . . 59

6.1.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp (unloading van) . 59
6.1.4 Mạch tuần tự . . . 59

6.1.5 Mạch hãm cân bằng . . . 60

6.2 Mạch điều khiển lưu lượng . . . 60

6.2.1 Mạch điều khiển lưu lượng vào . . . 60

6.2.2 Mạch điều khiển lưu lượng ra . . . 61

6.2.3 Mạch vi sai . . . 62

6.2.4 Mạch thay đổi vận tốc . . . 62

6.3 Mạch điều khiển trực tiếp . . . 63

6.3.1 Mạch sử dụng cơng tắc hành trình và chuyển động của
van bằng điện từ . . . 63

6.3.2 Mạch sử dụng nhiều van điều khiển nối với nhau . . . 63

6.4 Mạch thủy lực ứng dụng . . . 67

6.4.1 Máy ép thủy lực . . . 67

6.4.2 Ngàm kẹp thủy lực . . . 67

7 Đại cương về khí nén 68
7.1 Giới thiệu về kỹ thuật khí nén . . . 68

7.2 Đặc điểm của khơng khí . . . 69

7.3 Đặc điểm của truyền động khí nén . . . 71

7.4 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén . . . 72

8 Cung cấp và xử lý khí nén 73
8.1 Máy nén khí . . . 73

8.1.1 Máy nén khí thể tích . . . 73

8.1.2 Máy nén khí kiểu root . . . 75

8.1.3 Máy nén khí kiểu tuabin . . . 75

8.2 Bộ lọc . . . 76

8.3 Bộ điều chỉnh áp suất . . . 77

8.3.1 Bộ điều chỉnh áp suất không có lỗ thốt . . . 77

8.3.2 Bộ điều chỉnh áp suất có lỗ thốt . . . 78

8.4 Thiết bị bơi trơn . . . 78

8.5 Nhóm thiết bị điều hòa . . . 79

8.6 Hệ thống xử lý khí nén trong cơng nghiệp . . . 79

8.6.1 Bình ngưng tụ - Làm lạnh khí nén bằng khơng khí
(bằng nước) . . . 80

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

MỤC LỤC iv

8.6.3 Sấy khô bằng hấp thụ . . . 80

8.7 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén . . . 81

8.8 Ký hiệu sử dụng trong thiết bị khí nén . . . 82

8.8.1 Biểu diễn các đường dẫn bằng ký tự . . . 82

8.8.2 Biểu diễn bằng số . . . 82

8.8.3 Nguyên tắc trình bày sơ đồ mạch khí nén . . . 82

9 Phần tử xử lý 85
9.1 Van điều chỉnh áp suất . . . 85

9.1.1 Van an toàn . . . 85

9.2 Van một chiều . . . 85

9.3 Van điều chỉnh lưu lượng (Van tiết lưu) . . . 85

9.4 Van logic . . . 87

9.4.1 Van logic AND . . . 87

9.4.2 Van logic OR . . . 87

9.4.3 Van xả khí nhanh . . . 88

9.4.4 Van định thời . . . 88

9.4.5 Van áp suất tuần tự . . . 89

10 Phần tử điều khiển 90
10.1 Van phân phối (Van đảo chiều) . . . 90

10.2 Ký hiệu vị trí và cửa của van phân phối . . . 91

10.3 Phương pháp điều khiển van phân phối . . . 91

10.4 Van đảo chiều thông dụng . . . 93

11 Cơ cấu tác động 96
11.1 Xy lanh khí nén . . . 96

11.1.1 Phân loại xy lanh khí nén . . . 96

11.1.2 Phương pháp cố định xy lanh (xem mục 4.1.3) . . . 96

11.1.3 Tính tốn xy lanh . . . 96

11.1.4 Tính tốn và kiểm tra bền cần piston (xem mục 4.1.5) 97
11.1.5 Độ dài hành trình . . . 97

11.1.6 Tốc độ piston . . . 97

11.1.7 Sự tiêu thụ khơng khí . . . 97

11.2 Động cơ khí nén . . . 98

11.3 Van chân khơng . . . 99

12 Mạch khí nén cơ bản 101
12.1 Điều khiển trực tiếp . . . 101

12.2 Điều khiển gián tiếp . . . 102

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

MỤC LỤC v

12.4 Mạch khí nén dùng van xả khí nhanh . . . 103

12.5 Mạch khí nén dùng van logic AND . . . 103

12.6 Mạch khí nén dùng van 5/2 . . . 104

12.7 Mạch khí nén dùng cơng tắc hành trình . . . 104

13 Thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động 105
13.1 Phương pháp thiết kế mạch khí nén hoạt động tự động . . . . 105

13.2 Giản đồ hoạt động . . . 106

13.3 Phương pháp biểu diễn trình tự làm việc theo Grafcet . . . 107

13.4 Phương pháp thiết kế mạch theo module (mạch đếm bước) . . 108

13.5 Phương pháp thiết kế mạch bằng biểu đồ Karnaugh . . . 109

13.5.1 Các khái niệm về đại số Boolean . . . 110

13.5.2 Cấu trúc bảng chân trị và cách sử dụng . . . 110

13.5.3 Bảng chân trị của các phần tử logic khí nén cơ bản . . 111

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

Danh sách hình vẽ

1.1 Thủy tĩnh và thủy động học . . . 6

1.2 Nguyên lý truyền dẫn thủy lực . . . 7

1.3 Phương trình Bernoulli . . . 8

1.4 Tổn thất trong mạch thủy lực . . . 10

1.5 Hệ thống cân bằng trên xe hơi . . . 14

1.6 Hệ thống thắng trợ lực ABS . . . 15

1.7 Máy xúc thủy lực . . . 16

1.8 Máy gặt đập liên hợp . . . 16

2.1 Phân loại bơm thủy lực . . . 17

2.2 Bơm ly tâm . . . 18

2.3 Bơm hướng trục . . . 18

2.4 Bơm piston thông thường. . . 21

2.5 Bơm piston hướng tâm. . . 21

2.6 Bơm piston hướng trục. . . 22

2.7 Điều chỉnh lưu lượng bơm piston hướng trục. . . 22

2.8 Cấu tạo bơm bánh răng . . . 23

2.9 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài . . . 24

2.10 Bơm bánh răng ăn khớp trong . . . 24

2.11 Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. . . 24

2.12 Kết cấu bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng. . . 25

2.13 Bơm cánh gạt kép. . . 25

2.14 Kết cấu bơm cánh gạt. . . 25

2.15 Bơm trục vít. . . 26

2.16 Kết cấu bơm trục vít. . . 27

3.1 Ký hiệu van một chiều. . . 29

3.2 Cấu tạo van một chiều tải lò xo. . . 30

3.3 Tổn thất áp suất trên van một chiều. . . 30

3.4 Dòng chảy bị ngăn từ B đến A. . . 30

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

DANH SÁCH HÌNH VẼ vii

3.6 Dịng chảy từ B đến A khi có tín hiệu điều khiển. . . 31

3.7 Mạch thủy lực sử dụng van một chiều có điều khiển. . . 31

3.8 Cấu tạo cơ bản của van đảo chiều. . . 31

3.9 Các phương pháp tác động vào van đảo chiều. . . 32

3.10 Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí. . . 32

3.11 Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí. . . 32

3.12 Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí. . . 33

3.13 Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí. . . 33

3.14 Van an toàn điều khiển trực tiếp. . . 35

3.15 Van an toàn điều khiển gián tiếp. . . 35

3.16 Van an toàn kiểu nắp đậy. . . 35

3.17 Van an toàn kiểu vi sai. . . 35

3.18 Van cân bằng thông thường. . . 36

3.19 Van cân bằng có điều khiển. . . 36

3.20 Mạch thủy lực sử dụng van tuần tự. . . 37

3.21 Van giảm áp. . . 37

3.22 Van ổn định vận tốc (giảm tốc). . . 38

4.1 Cấu tạo xy lanh thủy lực. . . 40

4.2 Xy lanh tác động đơn. . . 41

4.3 Xy lanh tác động kép. . . 42

4.4 Xy lanh nhiều tầng. . . 42

4.5 Xy lanh tác động hai phía. . . 42

4.6 Xy lanh quay (cơ cấu thanh răng - bánh răng). . . 43

4.7 Lắp xy lanh cố định . . . 43

4.8 Lắp xy lanh có chuyển động . . . 43

4.9 Bảng tra thơng số xy lanh. . . 45

4.10 Chiều dài tương đương theo phương pháp cố định xy lanh. . . 46

4.11 Động cơ cánh gạt đơn. . . 48

4.12 Động cơ cánh gạt kép. . . 48

4.13 Động cơ bán quay kiểu thanh răng - bánh răng. . . 48

4.14 Động cơ bánh răng. . . 49

4.15 Động cơ cánh gạt. . . 49

4.16 Động cơ dầu piston hướng kính. . . 50

4.17 Động cơ dầu piston hướng trục. . . 50

4.18 Động cơ dầu piston hướng trục thay đổi được lưu lượng riêng. 50
5.1 Thùng dầu thủy lực. . . 53

5.2 Các loại bộ lọc dầu. . . 53

5.3 Các loại bộ lọc dầu. . . 54

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

5.5 Đầu nối ống thủy lực. . . 55

5.6 Cách lắp ống dẫn mềm vào đầu nối. . . 55

5.7 Ắc quy trọng lực. . . 56

5.8 Ắc quy lò xo. . . 57

5.9 Ắc quy thủy khí. . . 57

5.10 Ắc quy thủy khí. . . 57

6.1 Mạch thủy lực điều khiển bằng tay với van tràn trực tiếp. . . 58

6.2 Mạch thủy lực với 2 van tràn trực tiếp. . . 59

6.3 Mạch thủy lực với van tràn gián tiếp. . . 60

6.4 Mạch thủy lực tuần tự. . . 60

6.5 Mạch hãm cân bằng. . . 61

6.6 Mạch điều khiển lưu lượng. . . 61

6.7 Mạch vi sai. . . 62

6.8 Mạch thay đổi vận tốc. . . 62

6.9 Mạch điều khiển trực tiếp bằng các cơng tắc hành trình. . . . 63

6.10 Mạch nối song song. . . 64

6.11 Mạch riêng lẻ. . . 65

6.12 Mạch nối tiếp. . . 66

6.13 Mạch máy ép thủy lực. . . 67

6.14 Ngàm kẹp thủy lực. . . 67

7.1 Thành phần khơng khí. . . 70

7.2 Áp suất tuyệt đối và áp suất dư (áp suất tương đối). . . 71

7.3 Cấu trúc của một hệ thống truyền động khí nén. . . 72

8.1 Máy nén khí kiểu piston. . . 73

8.2 Máy nén khí kiểu piston ba cấp. . . 74

8.3 Máy nén khí kiểu màng. . . 75

8.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt. . . 75

8.5 Máy nén khí kiểu root. . . 76

8.6 Máy nén khí kiểu tuabin. . . 76

8.7 Bộ lọc khí. . . 76

8.8 Bộ điều chỉnh áp suất khí khơng có lỗ thốt. . . 77

8.9 Bộ điều chỉnh áp suất khí có lỗ thốt. . . 78

8.10 Thiết bị bơi trơn. . . 79

8.11 Nhóm thiết bị điều hòa. . . 79

8.12 Thiết bị sấy khơ khí nén bằng chất làm lạnh. . . 80

8.13 Sấy khơ khí nén bằng hấp thụ. . . 81

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

9.1 Van khí nén một chiều. . . 86

9.2 Ký hiệu van một chiều. . . 86

9.3 Van tiết lưu. . . 86

9.4 Ký hiệu van tiết lưu. . . 86

9.5 Van logic AND. . . 87

9.6 Van logic OR. . . 87

9.7 Van xả khí nhanh. . . 88

9.8 Van định thời. . . 88

9.9 Van áp suất tuần tự. . . 89

10.1 Van phân phối. . . 90

10.2 Mơ tả vị trí và cửa của van phân phối. . . 91

10.3 Tác động vào van phân phối. . . 92

10.4 Van phân phối 3/2, tác động bằng nút nhấn. . . 93

10.5 Van phân phối 3/2, tác động bằng khí. . . 93

10.6 Van phân phối 3/2, tác động bằng con lăn. . . 94

10.7 Van phân phối 4/2, tác động bằng nút nhấn. . . 94

10.8 Van phân phối 4/3, tác động bằng cần gạt có chốt định vị. . . 94

10.9 Van phân phối 5/2, tác động hỗn hợp bằng khí và nút nhấn. . 95

11.1 Động cơ khí nén kiểu cánh gạt. . . 98

11.2 Động cơ khí nén kiểu ly tâm và tuabin. . . 98

11.3 Một số động cơ khí nén trên thị trường. . . 99

11.4 Cấu tạo và ký hiệu van chân không. . . 99

11.5 Van chân không. . . 99

11.6 Thiết bị nâng tấm kiếng sử dụng van chân không. . . 100

12.1 Điều khiển trực tiếp xy lanh đơn. . . 101

12.2 Điều khiển gián tiếp xy lanh đơn. . . 102

12.3 Mạch khí nén sử dụng van OR. . . 102

12.4 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh. . . 103

12.5 Mạch khí nén sử dụng van xả khí nhanh. . . 103

12.6 Mạch khí nén sử dụng van 5/2. . . 104

12.7 Mạch khí nén sử dụng cơng tắc hành trình. . . 104

13.1 Bộ thiết bị cơ bản cho thiết kế mạch khí nén tư động. . . 107

13.2 Module khí nén . . . 109

13.3 Mạch khí nén với 5 module . . . 109

13.4 Mạch khí nén theo chu trình A+, B+, B-, A-. . . 110

13.5 Các định lý boolean (đầy đủ). . . 111

13.6 Phần tử OR). . . 112

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

DANH SÁCH HÌNH VẼ x

13.8 Phần tử YES. . . 112

13.9 Phần tử NOT. . . 112

13.10Phần tử MEMORY. . . 113

13.11Chu trình làm việc. . . 113

13.12Bảng Karnaugh của hệ thống. . . 114

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12></div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

Chương 1

Giới thiệu

1.1 Sơ lược các dạng truyền động

Sự phát triển của công nghiệp đặt ra nhu cầu phải tải năng lượng trên những
quãng đường lớn, từ nguồn sản xuất đến nơi tiêu thụ. Tuỳ theo công suất và
khoảng cách vận chuyển, người ta có thể áp dụng các loại truyền động khác
nhau. Trong thực tế có 3 dạng truyền động phổ biến là truyền động điện,
truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực.

• Truyền động cơ khí

Truyền động cơ khí là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng
được biến đổi qua lại với nhau. Truyền động cơ khí cho phép truyền
những cơng suất tương đối lớn, hiệu suất cao, nhưng cồng kềnh, khoảng
cách truyền hạn chế, độ nhạy và độ chính xác kém. Một hệ truyền động
cơ khí bao gồm các bộ phận chính sau:

– Bộ phận nối (trục truyền động, khớp nối,...).

– Bộ phận đáp ứng (bộ giảm tốc hoặc tăng tốc, hộp số, dây đai,...).
– Bộ phận an tồn (phanh, bộ hạn chế mơmen,...)

• Truyền động điện

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 3

– Động cơ điện (cơ cấu chấp hành) làm nhiệm vụ chuyển đổi từ điện
năng sang cơ năng.

– Các khâu trung gian như dây nối, công tắc, bộ đáp ứng, cơ cấu
phân phối, cơ cấu an tồn và các thiết bị kiểm tra,...

• Truyền động thủy lực

Truyền động thủy lực là phương pháp truyền động mà trong đó cơ năng
được truyền đi thơng qua mơi chất là chất lỏng. Các bộ phận chính
của một hệ truyền động thủy lực gồm có:

– Bơm thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành năng lượng
thủy lực.

– Động cơ thuỷ lực làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng thủy lực
thành cơ năng ở khâu ra của hệ truyền động.

– Hệ thống đường ống và cơ cấu lọc chất lỏng.

– Các phần tử thủy lực (cơ cấu phân phối, cơ cấu an toàn, cơ cấu
điều chỉnh).

– Các thiết bị kiểm tra các thông số nhiệt độ, áp suất, mức nước,...

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống

truyền động thủy lực

Truyền động thủy lực có nhiều đặc điểm ưu việt hơn khi so sánh với những
dạng truyền động khác nhờ vào những tính chất cơ bản của dịng lưu chất.
Những ưu điểm đó như sau:

• Việc gia tăng nhiệt độ trong quá trình hoạt động là một giới hạn cơ

bản của bất kỳ thiết bị nào. Dầu bơi trơn bị mất tính nhớt, cơ cấu cơ
khí bị kẹt lại là những hiện tượng làm phá hỏng thiết bị khi nhiệt độ
tăng cao. Lưu chất dùng trong truyền động thủy lực thể hiện khả năng
tốt hơn khi chúng đóng vai trị là chất dẫn nhiệt làm giảm nhiệt độ
cơ cấu máy thông qua việc trao đổi nhiệt giữa lưu chất với dung dịch
làm mát của bộ trao đổi nhiệt. Đặc tính này làm cho kích thước các
bộ phận nhỏ hơn cũng như khối lượng sẽ nhẹ hơn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 4

• Moment tạo ra bởi cơ cấu chấp hành thủy lực (động cơ và xy lanh thủy
lực) thì tỉ lệ với độ chênh lệch áp suất và chỉ bị giới hạn bởi van an
tồn. Vì vậy cơ cấu chấp hành thủy lực có khả năng giảm khối lượng
và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. Đặc điểm này thể hiện
sự nổi trội của hệ thống thủy lực khi so sánh với đặc tính của động cơ
điện. Moment tạo ra bởi động cơ điện tỉ lệ với dòng điện và bị giới hạn
bởi giá trị bảo hòa (magnetic saturation). Giá trị bảo hòa phụ thuộc
vào vật liệu từ tính.

• Đáp ứng vận tốc của động cơ điện thì chậm hơn cơ cấu chấp hành thủy
lực. Vì vậy cơ cấu chấp hành thủy lực có khả năng khởi động, dừng và
đảo chiều một cách nhanh chóng.

• Cơ cấu chấp hành thủy lực có thể hoạt động liên tục (continuous), gián
đoạn (intermittent), đảo chiều (reversing) và khóa cứng (stalled) mà
khơng gây hư hỏng. Với việc sử dụng van an tồn, cơ cấu chấp hành
thủy lực có thể dùng cho cơ cấu thắng động (dynamic breaking). Cơ
cấu chấp hành tuyến tính (linear actuator) và cơ cấu chấp hành quay
(rotary actuator) được dùng mang lại tính linh hoạt cho hệ thống thủy
lực. Chuyển động quay dễ biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của cơ

cấu chấp hành.

• Cơ cấu chấp hành thủy lực có độ cứng cao khi so sánh với các cơ cấu
chấp hành khác.

• Điều khiển vịng hở và điều khiển vịng kín của cơ cấu chấp hành thủy
lực thì tương đối đơn giản nhờ vào các van (valves) và bơm (pumps).
Điều chỉnh được vận tốc làm việc, dễ thực hiện tự động hóa theo điều
kiện làm việc hay theo chương trình có trước.

• Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn
giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng địi hỏi ít về chăm sóc, bảo
dưỡng.

• Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc
nhau, các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ.

• Nhờ qn tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, có thể sử dụng ở vận
tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay
điện.

• Dễ đề phịng q tải nhờ van an tồn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động thủy lực 5

Mặc dù truyền động thủy lực mang lại rất nhiều thuận lợi, nhưng những
khó khăn sau làm cho việc ứng dụng chúng bị giới hạn.

• Nguồn thủy lực thì khơng sẳn sàng (phổ biến) như là nguồn điện.

• Yêu cầu dung sai nhỏ của thiết bị thủy lực dẫn đến giá thành tương
đối cao.

• Việc tăng cao nhiệt độ của dầu thủy lực có thể là nguyên nhân gây ra
hỏa hoạn nếu chúng được sử dụng gần những nguồn dễ bị bốc cháy.
Tuy nhiên điều này có thể khắc phục bằng cách sử dụng loại dầu chịu
nhiệt.

• Hệ thống thủy lực thì khơng được sạch sẽ bởi vì việc bảo trì hệ thống
thủy lực thì ln gặp khó khăn do ln tồn tại hiện tượng rị rỉ dầu
trong hệ thống. Mất mát trong đường ống và rò rỉ bên trong các phần
tử cũng làm giảm hiệu suất và hạn chế khả năng sử dụng của hệ thống
thủy lực.

• Khơng thể bảo trì và bảo vệ dầu thủy lực khỏi bẩn. Dầu bẩn có thể
làm tắt các van và cơ cấu chấp hành. Chất bẩn tồn tại trong hệ thống
thủy lực làm cho hệ thống bị mài mòn nhanh chóng, điều này làm mất
đi những đặc tính tốt của hệ thống thủy lực hay làm cho hệ thống bị
phá hủy. Thuật ngữ dầu sạch (clean oil) và dầu tin cậy (reliability) là
đồng nghĩa trong điều khiển thủy lực.

• Qui trình thiết kế cơ bản thì khơng đủ và khó khăn để xác định vì độ
phức tạp của hệ thống thủy lực. Ví dụ như dịng điện đi qua một điện
trở thì xác định dễ dàng bằng định luật Ohm. Ngược lại, không tồn tại
một định luật cơ bản nào để mô tả trở lực của thiết bị khi dịng lưu
chất chảy qua.

• Hệ thống thủy lực thì khơng linh hoạt, tuyến tính, chính xác, và giá rẻ
như là thiết bị điện tử hay thiết bị cơ điện (electromechanical) trong
việc tạo ra tín hiệu cơng suất thấp cho việc tính tốn, chuẩn lỗi, khuếch

đại và đo lường. Vì vậy thiết bị thủy lực thì khơng được mơ tả trong
hệ thống điều khiển cơng suất thấp.

• Khó giữ được vận tốc khơng đổi khi phụ tải thay đổi do tính đàn hồi
của đường ống dẫn.

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 6

1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực

1.3.1 Áp suất và áp suất thủy tĩnh

Thủy lực là ngành khoa học về lực và mô men được truyền bằng chất lỏng.
Thủy lực thuộc về cơ học chất lỏng. Một sự khác biệt giữa thủy tĩnh và thủy
động học là hiệu ứng động học gây ra bởi áp suất và tiết diện đối với hiệu
ứng gây ra bởi khối lượng và gia tốc khối lưu chất. Chất lỏng có đặc tính là
nén lên bề mặt thùng chứa một áp lực xác định. Áp lực chất lỏng nén lên bề
mặt thùng chứa có phương vng góc với bề mặt của nó. Áp lực tác động
lên mọi điểm trên bề mặt thùng chứa là khác nhau và chỉ phụ thuộc vào vị
trí của điểm đó so với mặt thoáng của chất lỏng. Áp suất chất lỏng tại một
điểm có giá trị bằng áp lực lên một đơn vị diện tích tại điểm đó. Trong chất
lỏng, áp suất (áp suất do trọng lượng và áp suất do ngoại lực) tác động lên
mỗi phần tử chất lỏng khơng phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa. Áp suất
thủy tĩnh là áp suất trung bình của chất lỏng ở độ sâu h so với mặt thoáng
chất lỏng và được tính bằng:

p=pa+ρgh,

trong đó, p là áp suất thủy tĩnh hay là áp suất tĩnh của chất lỏng, pa là áp

suất khí quyển, và g là gia tốc trọng trường.

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 7

1.3.2 Nguyên lý Pascal

Phát biểu: Áp suất chất lỏng do ngoại lực tác dụng lên mặt thoáng được
truyền nguyên vẹn tới mọi điểm trong lòng chất lỏng. Biểu thức của nguyên
lý Pascal được cho như sau:

p=pn+ρgh,

trong đó, p là áp suất tĩnh tại mọi điểm có độ sâu h so với mặt thoáng của
chất lỏng, pn là áp suất gây ra bởi ngoại lực tác động lên mặt thoáng khối

chất lỏng, và ρ là trọng lượng riêng của chất lỏng. Khi một hệ thống bình
chứa được tạo ra như trong hình 1.2. Áp suất tại bề mặt mỗi piston được
tính như sau:

p1 =

và p2 =

.
Khi hệ thống cân bằng p1 =p2:

= F2
A2

1.3.3 Phương trình dịng chảy liên tục

Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng mà ta có thể bỏ qua lực ma sát nhớt của các
phần bên trong chất lỏng khi chuyển động tương đối với nhau. Đối với chất
lỏng lý tưởng, đường đi của một phân tử chất lưu được biểu diễn bằng một
đường dòng mà tiếp tuyến với nó tại mọi điểm có phương chiều trùng với véc
tơ vận tốc của chất lưu tại điểm đó. Tập hợp tồn bộ các đường dịng biểu

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

1.3 Nguyên lý cơ bản của hệ thống thủy lực 8

diễn cho cả khối chất lưu được gọi là ống dòng. Nếu chúng ta cắt ống dịng
bằng một mặt phẳngS vng góc đồng thời với các đường dịng, thì tại mọi
điểm trên diện tích S này vận tốc các phân tử sẽ có độ lớn bằng nhau.

Phương trình dịng chảy liên tục chính là định luật bảo tồn khối lượng
đối với chất lưu. Đối với chất lưu không nén được, khi xét một thể tích tham
khảo thì lưu lượng chất đi vào phải bằng lưu lượng chất đi ra thể tích đó.

Hay nói cách khác, lưu lượng chất lỏng đi qua một mặt cắtS bất kỳ là bằng
nhau tại mỗi điểm chứa mặt cắt đó.

Q=Sv =hằng số (constant),

trong đó, Q là lưu lượng chất lỏng đi qua mặt cắt S, S là tiết diện mặt cắt,
và v là vận tốc trung bình của dịng chất lỏng đi qua mặt cắt S.

1.3.4 Phương trình Bernoulli

Phương trình Bernoulli mơ tả biến đổi năng lượng của dịng lưu chất. Phương
trình được viết như sau:

p1+ρgz1+

ρv2
1

2 =p2+ρgz2+
ρv2

2 +pw,

trong đó, các chỉ số 1 và 2 thể hiện các giá trị tại vị trí 1 và 2, pw là tổn thất

cột áp giữa hai vị trí 1 và 2 như hình 1.3.

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực 9

1.4 Tổn thất trong hệ thống thủy lực

1.4.1 Tổn thất thể tích

Tổn thất thể tích là do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần
tử của hệ thống. Áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ
thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ
cấu biến đổi năng lượng. Tổn thất thể tích được đánh giá bằng hiệu suất thể
tích.

1.4.2 Tổn thất cơ khí

Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối với
nhau. Tổn thất cơ khí được đánh giá bằng hiệu suất cơ khí.

1.4.3 Tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của
dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành. Tổn thất đó phụ thuộc vào những yếu tố
khác nhau như chiều dài ống dẫn, độ nhẵn thành ống, độ lớn tiết diện ống
dẫn, tốc độ dòng chảy, sự thay đổi tiết diện, trọng lượng riêng, và độ nhớt.
Nếu áp suất vào hệ thống là pi vàpo là áp suất ra, thì tổn thất áp suất được

biểu thị bằng ∆p=pi −po. Tổn thất áp suất dẫn đến tổn thất năng lượng

trong toàn mạch thủy lực. Tỉ lệ tổn thất năng lượng trung bình trong mạch
thủy lực được phân bố như hình 1.4.