14
Chương 3
CƠ CẤU CHẤP HÀNH
3.1. Khái niệm về cơ cấu chấp hành
3.1.1. Chức năng của cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp
hành có thể thực hiện chuyển động thẳng, hoặc chuyển động quay.
3.1.2. Phân loại cơ cấu chấp hành
Theo cấu tạo:
- Động cơ
+ Động cơ bánh răng
+ Động cơ cánh gạt
+ Động cơ pít tông
- Xy lanh
+ Xy lanh lực
+ Xy lanh quay
+ Một số xy lanh đặc biệt
Theo dạng chuyển động:
- Cơ cấu chuyển động tịnh tiến
- Cơ cấu chuyển động quay
3.1.3. Đặc tính của cơ cấu chấp hành
a. Động cơ
Đại lượng đặc trưng của động cơ là độ lớn của mô men xoắn đối với hiệu áp suất ở đường vào và
đường ra xác định với lượng lưu chất cần tiêu thụ trong một vòng quay q, l/ph.
Nếu động cơ được cấp một lưu lượng Q, l/ph thì vận tốc quay của nó được tính theo công thức:
v
q
Q
n
, vòng/phút (3.1)
Công suất mà áp suất lưu chất cung cấp cho động cơ được tính theo công thức:
,
612
)( 21
0
ppQ
N
kW (3.2)
Công suất trên trục động cơ:
,
612
)( 21
0
ppQ
NN
kW (3.3)
Mômen xoắn trên trục quay:
tlcc
v
ppq
Q
qppQ
n
N
M
)(59.1
612
)(975
975 21
21
kGm (3.4)
15
Hệ số có ích của bơm:
=vtlc (3.5)
, v, tl, c - hệ số có ích của bơm, hệ số có ích thể tích, hệ số có ích thủy lực, hệ số có
ích cơ khí.
p1, p2 – áp suất ở đường vào và đường ra ống.
Q
QT
v
(3.6)
QT - lưu lượng thực tế;
Q – lưu lượng lý thuyết.
b. Xylanh
Cần pittông tạo ra lực đẩy F được tính bằng diện tích bề mặt pittông A và áp suất trong xylanh pe.
Đơn vị thứ nguyên của lực được tính theo bảng 3.1.
Bảng 3.1 Đơn vị thứ nguyên tính lực
Ap suất × diện tích = lực
Số TT pe × A = F
1 pa m2 N
2 2
m
N m2 N
3 22
.
.
m
s
mkg m2 2
.
s
mkg
4 bar cm2 daN
5 105Pa 104m2 10N
3.2. Cơ cấu chuyển động tịnh tiến (xylanh)
Xy lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng
cơ học – chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay (góc quay <3600).
Thông thường xy lanh được lắp cố định, pít tông chuyển động. Một số trường hợp có thể pít tông
cố định, xy lanh chuyển động.
Pít tông bắt đầu chuyển động khi lực tác động một trong hai phía của nó (lực áp suất, lò xo hoặc
cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động (lực ma sát, phụ tải, lò xo, thủy
động, lực ì…).
Xy lanh lực được chia làm hai loại: xy lanh lực và xy lanh quay. Trong xy lanh lực, chuyển động
tương đối giữa pít tông với xy lanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xy lanh quay chuyển động giữa pít
tông với xy lanh là chuyển động quay. Góc quay thường nhỏ hơn 3600.
a. Xy lanh lực
- Xy lanh tác dụng đơn
16
Áp lực tác động vào xy lanh đơn chỉ ở một phía, phía ngược lại là do lò xo tác động hoặc là ngoại
lực tác động (hình 3.1).
Hình 3.1. Xy lanh tác động đơn
- Xy lanh màng
Xy lanh màng hoạt động như xy lanh tác dụng đơn (hình 3.2).
Xy lanh màng có hành trình dịch chuyển lớn nhất (hmax = 80) nên được dùng trong điều khiển, ví
dụ trong công nghiệp ô tô (điều khiển thắng, li hợp…), trong công nghiệp hóa chất (đóng mở van).
Chú ý: xy lanh màng chỉ được sử dụng trong điều khiển khí nén.
Hình 3.2. Xy lanh màng
Tính toán lực đẩy của pít tông:
F = A.pg-Ff-Fs (3.7)
Trong đó:
F [N} lực tác dụng lên pít tông
D
A
4
.
2
[cm2] Diện tích pít tông
D [cm} Đường kính pít tông
Pg [bar] Áp suất khí nén trong xy lanh
17
Ff [N] Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt giữa píttông và
xylanh, vận tốc chuyển động píttông, loại vòng đệm.
F [N] Lực căng lò xo.
- Xy lanh tác dụng kép
Áp lực tác động vào xy lanh kép theo hai phía (hình 3.3).
1. Piston
2. Đệm kín piston
3. Trục piston
4. Dẫn hướng trục
5.Đệm kín trục
6. Vòng chắn bụi
7. Nắp xy lanh
8, 13. Cửa lưu chất
9. Thân xy lanh
10. Buồng trục
11. Buồng piston
12. Đế xy lanh
Hình 3.3 Xy lanh tác động kép
Nếu không tính đến lực ma sát, lực chuyển động trên cần pít tông được tính theo công thức:
F = p.A (3.8)
P – áp suất chất lỏng;
A – diện tích làm việc của pít tông.
Diện tích làm việc của pít tông phía khoang pít tông được tính theo:
4
2
D
A
(3.9)
D – đường kính của pít tông đồng thời cũng là đường kính trong của xy lanh.
Đối với khoang cần, diện tích làm việc của pít tông được tính theo công thức:
18
4
)( 22 dD
A
(3.10)
d – đường kính cần pít tông.
Thể tích làm việc của xy lanh được tính theo công thức:
H
p
F
HAV . (3.11)
H – là khoảng chạy của pít tông.
Vận tốc chuyển động của pít tông phụ thuộc vào lưu lượng Q và diện tích làm việc F của pít tông.
Nếu không kể đến rò rỉ:
A
Q
v (3.12)
b. Xy lanh quay
Xy lanh quay có khả năng tạo mômen quay rất lớn. Góc quay phụ thuộc vào số cánh gạt của trục.
Đối với xy lanh có một cánh gạt, góc quay có thể đạt 270 – 2800
Hình 3.4 Xy lanh quay khí
Hình 3.5 Kết cấu xy lanh quay khí nén
Giá trị lý thuyết mômen quay M và vận tốc góc trên trục xy lanh có thể tính theo công thức:
)(
8
.
4
2
)(
... 22 dD
bpdDbdDp
RFpRPM
(3.13)
)(
8
22 dDb
Q
(3.14)
Trong đó:
P – lực áp suất tác động lên cánh gạt;