Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí
125
PHẦN II
THỦY LỰC
Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí
126
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:
Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí
127
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 từ vài 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
Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí
128
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 độ khi 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.
Kỹ thuật điều khiển thuỷ khí
129
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 Cấu trúc chung một hệ thốngthủy lực có cơ cấu
chuyển động tịnh tiến
1.4 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.