TR
B

NG

I H C TH Y L C

MÔN MÁY XÂY D NG

BÀI GI NG

TRUY N

NG TH Y L C VÀ KHÍ NÉN

N M 2018

0


L I NÓI

U

Môn “Truy n đ ng th y l c và khí nén” là m t trong nh ng môn h c quan tr ng c a
ch ng trình đào t o h c viên cao h c ngành K thu t c khí. Bài gi ng này đ c biên so n
nh m đáp ng nhu c u c a h c viên cao h c khoa C khí Tr ng đ i h c Th y L i v sách tài
li u chuyên ngành.
Bài gi ng “Truy n đ ng th y l c và khí nén” g m 05 ch ng có n i dung đ c p đ n
các khái ni m c b n c a truy n đ ng th y khí; c u thành c a m t h th ng truy n đ ng th y
khí; t ng h p và phân tích h th ng truy n đ ng th y khí; các h th ng đi u khi n c b n và


1.1.2

07

u đi m c a k thu t th y khí

1.1.3 Các ng d ng c a k thu t th y khí

09

1.1.4 Các ph n t c a m t h th ng truy n đ ng th y khí

13

1.2 TÍNH CH T C A CH T L NG VÀ CH T KHÍ

15

1.2.1 Mô đun đàn h i

17

1.2.2 Tính nh t

18

1.2.3 Ch s đ nh t

23


32

1.3.5

nh lý torricelli

35

1.3.6 Dòng ch y t ng và ch y r i

36

1.3.7 S reynolds

38

1.3.8 Ph

39

ng trình darcy

1.3.9 T n th t do ma sát trong dòng ch y t ng

40

1.3.10 T n th t do ma sát trong dòng ch y r i

40


2


2.3.1 Các đ c tính làm vi c c a xy lanh th y l c

56

2.3.2 Các ki u l p xy lanh và các liên k t c khí

58

2.3.3 L c, v n t c và công su t xy lanh

59

2.4 MÔ T

61

TH Y L C

2.4.1

ng c th y l c quay h n ch

62

2.4.2



ng pháp th tích

73

2.6.2 Ph

ng pháp ti t l u

74

2.6.3 Các c u hình đ c bi t

75

2.7 CỄC PH

NG PHỄP

NG B

C

C U CH P HÀNH

79

2.7.1

ng b b ng 2 B m th y l c đ ng tr c có cùng đ ng c :

ng

80
81

NG 3 T NG H P VÀ PHÂN TÍCH TRUY N

3.1 GI I THI U CHUNG
3.2 CÁC M CH TH Y L C C

NG TH Y KHÍ
83

B N

84

3.2.1 M ch xy lanh tái t o

84

3.2.2 H th ng th y l c b m kép

86

3.2.3

ng d ng c a van ch ng r i

87

93

3.2.11 H th ng tr đ ng th y-c

93

3.2.12 i u khi n xy lanh tác đ ng hai chi u b ng van phân ph i đóng m b ng khí nén 94
3.2.13 H th ng đi u khi n chu k ho t đ ng c a xy lanh theo th i gian

95

3.2.14 H th ng đi u khi n hai t c đ ti n

95

3.2.15 H th ng đi u khi n b ng hai tay đ đ m b o an toàn

96

3.2.16 H th ng đi u khi n mô t khí nén

97

3.2.17 S

gi m t c đ cho xy lanh khí nén
CH

97


108

4.3.5 i u khi n đi n cho m ch tái sinh

110

4.3.6 B đ m, b đ m th i gian và s chuy n đ ng qua l i c a xy lanh th y l c 111
4.4 H TH NG IểU KHI N LOGIC

112

4.4.1 Gi i thi u chung

112

4.4.2 H th ng đi u khi n MPL

114

4.4.3

118

ng d ng MPL trong m ch đi u khi n th y khí

4.4.5 Gi i thi u v đ i s boole
CH

120



NG 1

GI I THI U CHUNG

1.1 M

U

1.1.1 K thu t truy n đ ng th y khí
K thu t truy n đ ng th y khí là l nh v c công ngh liên quan đ n vi c t o ra, đi u
khi n, và truy n n ng l ng b ng ch t l ng và ch t khí có áp su t cao. Ng i ta nói r ng k
thu t truy n đ ng th y khí chính là s c m nh làm chuy n đ ng ngành công nghi p. S d nói
nh v y là b i vì k thu t truy n đ ng th y khí đ c ng d ng đ t o ra l c đ y, kéo, đi u
khi n ho c d n đ ng h u nh t t c các lo i máy c a công nghi p hi n đ i. Ví d , h th ng lái
và phanh ô tô, phóng tàu v tr , di chuy n đ t, thu ho ch mùa màng, khai thác than, d n đ ng
các máy công c , đi u khi n máy bay, ch bi n th c n, th m chí c hàn r ng trong y t . Trong
th c t h u nh không th tìm th y m t s n ph m ch t o máy nào mà không liên quan đ n k
thu t truy n đ ng th y khí b ng cách nào đó m t giai đo n nào đó trong quá trình s n su t
ho c phân ph i.

Hình 1-1. C a xích
d n đ ng b ng th y
l c.

K thu t truy n đ ng th y khí đ c g i là k thu t th y l c khi môi ch t công tác là
ch t l ng và đ c g i là k thu t khí nén khi môi công tác là ch t khí. Vì v y k thu t truy n
đ ng th y khí là thu t ng chung dùng cho c th y l c và khí nén. Các h th ng th y l c dùng
ch t l ng nh d u m , d u t ng h p, và n c. Ch t l ng th y l c đ u tiên đ c dùng là n c
vì nó đã có s n. Tuy nhiên, n c có nhi u nh c đi m. Nó d đông đ c khi l nh, bôi tr n kém,

khi n b ng khí nén.

c đi u

Ng c l i, các h th ng khí nén có các đ c tính dao đ ng do tính nén đ c c a ch t khí.
Tuy nhiên, ch t o và v n hành các h th ng khí nén r h n. H n n a, có nhi u ph ng pháp
đ đi u khi n s ho t đ ng c a các c c u ch p hành khí nén d n đ ng t i. Vì v y các h th ng
khí nén dùng có hi u qu n i c n áp su t th p do d n đ ng t i không yêu c u l c l n.
Hình 1-2 mô t bàn tay khéo léo đ c đi u khi n b ng khí nén. Bàn tay đ c thi t k
đ nghiên c u s khéo léo c a tay máy và thao tác c a con ng i trong các ng d ng nh ng i
máy và kh n ng xúc giác. Các c c u ch p hành khí nén t o cho bàn tay kh n ng c m n m và
thao tác nh bàn tay ng i. Các đ c tính ho t đ ng ch y u bao g m t c đ cao trong vi c th c

6


hi n các đ ng tác, s c m nh đ d dàng c m các v t có kích th c l n có t tr ng và l c đi u
khi n c m n m khác nhau. Bàn tay có ba ngón và m t ngón cái đ i di n. M i kh p đ c b trí
hai c c u ch p hành khí nén (đ c đ t trong m t h p) d n đ ng qua các dây kéo có đ b n
cao.
1.1.2

u đi m c a k thu t th y khí

Có ba ph ng pháp c b n đ truy n n ng l ng: đi n, c khí, và th y khí. H u h t các
ng d ng s d ng k t h p c ba ph ng pháp đ có đ c h th ng có hi u su t cao nh t.
xác đ nh xem dùng ph ng pháp nào thích h p c n ph i bi t các đ c tr ng n i b t c a m i lo i.
Ví d : h th ng th y khí có th truy n công su t m t cách kinh t
kho ng cách l n h n lo i
truy n đ ng c khí, nh ng l i ng n h n nhi u so v i các h th ng truy n đ ng đi n.

men quay là 200.000lb.ft. đi u ki n ho t đ ng khó kh n.

Hình 1-6. Bàn quay đ

c d n đ ng b ng th y l c đ v n chuy n các khúc g l n.

(3) L c hay mô men không đ i. Ch có h th ng truy n đ ng th y khí m i có kh n ng
cung c p l c hay mô men không đ i không ph thu c vào s thay đ i v n t c. i u này đ c
th c hi n dù là công đ di chuy n m t vài inch trong m t gi , hay vài tr m inch trong m t phút,
m t vài vòng quay trong m t gi , hay hàng ngàn vòng quay trong m t phút. Hình 1-7 mô t
m t ng d ng trong h i d ng h c liên quan đ n th m dò và phát tri n các ngu n l i c a đ i
d ng vì l i ích c a nhân lo i. i u quan tr ng là ng i đi u khi n duy trì m t l c gi c đ nh
thông qua vi c đi u khi n tay n m.

Hình 1-7.
ng
d ng truy n đ ng
th y khí trong h i
d ng h c.

8


Hình 1-8. H th ng đi u khi n lái
b ng truy n đ ng th y khí cho xe
v n chuy n..)

(4) n gi n, an toàn, kinh t . Nói chung, các h th ng th y khí s d ng ít các b ph n
h n so v i các h th ng đi n và c khí. Vì v y, b o d ng và v n hành chúng đ n gi n h n.
i u này làm t ng đ an toàn, nh g n, và tin c y. Hình 1-8 mô t m t h th ng đi u khi n lái

22 hành khách đ c truy n đ ng và đi u khi n b ng th y l c nh mô t
Hình 1-9 là đi u có
m t không hai. Nó t đ y đi và di chuy n trên m t dây cáp c đ nh, ng i v n hành có th
d ng, kh i đ ng, và đ o chi u b t k m t xe nào m t cách hoàn toàn đ c l p v i xe khác trong
h th ng. T h p c a d n đ ng xe ch y trên cao g m m t b m (đ c d n đ ng b ng m t đ ng
c x ng 8 xy lanh tiêu chu n), cung c p ch t l ng cao áp t i 4 mô t th y l c. M i mô t d n

9


đ ng hai bánh xe ma sát.
Tám bánh xe d n đ ng phía trên c a các dây cáp đ và đ y xe đi. Trên các đ ng d c
yêu c u mô men quay l n d n đ ng đ lên d c và yêu c u mô men phanh l n khi xu ng d c.

Hình 1-9. Xe cáp treo trên cao d n đ ng b ng th y l c.
(2) K thu t truy n đ ng th y khí đ c ng d ng đ thu ho ch ngô: S ph thu c c a
th gi i vào n c M v l ng th c d n đ n đòi h i r t l n đ i v i vi c phát tri n các thi t b
nông nghi p. K thu t truy n đ ng th y khí đ c áp d ng đ gi i quy t nhi u v n đ liên quan
t i thu ho ch cây l ng th c. Hình 1-10 cho th y m t h th ng b ng t i đ c d n đ ng b ng
th y l c dùng đ v n chuy n ngô đã đ c thu ho ch và bóc v đ n toa moóc xe kéo. M t đ ng
c th y l c m c tr c ti p trên b ng t i d n đ ng dây xích cung c p công su t t khi kh i đ ng
đ n khi quay v i s vòng quay tính toán.
(3) D n đ ng bàn ch i xe quét rác: Hình 1-11 mô t h th ng th y khí d n đ ng bàn
ch i quét đ ng, lau sàn, v.v…công nghi p. Các đ ng c th y l c nh g n đ c g n tr c ti p
lên moay- c a bàn ch i quét bên c nh và phía tr c. Chúng lo i tr các liên k t c khí c ng
k nh cho các k t c u máy g n nh , có hi u qu cao. K t qu là ho t đ ng làm s ch công nghi p
n ng nh c và liên t c đ c th c hi n qua m t cái g t nh m t van đi u khi n đ n gi n.

Hình 1-10. B ng t i đ


i
n

Hình 1-13. Máy đào d n đ ng b ng th y l c.
(6) Cánh tay robot khéo léo đ c d n đ ng b ng th y l c. Hình 1-14 mô t m t cánh
tay rô b t d n đ ng b ng th y l c có s c m nh và s khéo léo đ v n các bu lông b ng các
ngón tay c a nó và c ng có th c n th n g p lên m t cái v tr ng. Cánh tay rô b t này s d ng
thành th o nh con ng i các d ng c nh búa, khoan đi n, các lo i k p và th m chí có th
dùng g y ch i bóng chày. Cánh tay có m t bàn tay v i m t ngón cái và hai ngón, c ng có c
tay, khu u tay và vai. H th ng đi u khi n có kh n ng ti p nh n các tín hi u đi u khi n ho t
đ ng c a con ng i hay c a máy tính. H th ng c ng có th đ c thi t k đ th c hi n các công
vi c nguy hi m trong lòng bi n sâu, ph c v công c ng, hay làm vi c trong môi tr ng phóng
x , và d i kích th c c a robot có t t ng đ ng v i tay c a con ng i cho t i dài đ n 6 ft.

12


Hình 1-14. Cánh tay rô b t khéo léo d n đ ng b ng th y l c.
1.1.4 Các ph n t c a m t h th ng truy n đ ng th y khí
H th ng th y l c: Có sáu thành ph n c b n trong m t h th ng th y l c (xem Hình
1-15):
1. Thùng ch a ch t l ng (A),
2. B m c p d u cho h th ng (C),
3.

ng c đi n ho c ngu n n ng l

4. Các van đ đi u khi n h

ng khác đ d n đ ng b m (B),

Hình 1-15. H th ng th y l c c b n v i c c u ch p hành th y l c chuy n đ ng th ng
(xy lanh)

13


Hình 1-16. H th ng th y l c c b n v i c c u ch p hành chuy n đ ng quay (mô t ).
T t nhiên, s ph c t p c a các h th ng th y l c s thay đ i tùy thu c vào các ng d ng
c th . Ví d nh
Hình 1-17 ch ra hai b ngu n c a truy n đ ng th y l c hoàn ch nh có kích
th c khác nhau dùng cho hai ng d ng khác nhau. M i b là m t h th ng đ y đ hoàn ch nh
bao g m đ ng c đi n, b m, kh p n i tr c, thùng d u và các ng khác nhau, các đ ng h đo áp
su t, các lo i van, và các thành ph n khác c n cho s ho t đ ng thích h p. Các h th ng và
ph n t th y l c này đ c nghiên c u chi ti t các ch ng ti p theo.

Hình 1-17. Hai b ngu n th y l c hoàn ch nh kích th

c khác nhau.

H th ng khí nén
Các h th ng khí nén có các thành ph n t ng t nh
ph n c b n c n thi t cho các h th ng khí nén nh sau:

h th ng th y l c. Sáu thành

1. M t bình khí đ ch a m t th tích khí nén nh t đ nh
2. M t máy nén khí đ nén không khí l y tr c ti p t khí quy n
3. M t đ ng c đi n ho c đ ng c khác đ d n đ ng máy nén
4. Các lo i van đi u khi n h


H
Hình 1-19. B m t t do
c a m t ch t n c.

Các ch t khí

15


Thu t ng ch t l ng th y l c nói đ n c các ch t l ng và các ch t khí. Ch t l ng là m t
ch t mà đ i v i m t kh i đã cho s có m t th tích xác đ nh không l thu c vào hình d ng c a
bình ch a nó. i u này có ngh a là ngay c khi m t ch t n c s l y hình d ng c a bình ch a
thì nó ch đi n đ y ph n bình ch a có th tích b ng th tích c a kh i ch t n c đó mà thôi. Ví
d , n u n c đ c rót vào m t bình ch a và th tích c a n c không đ đi n đ y bình, thì s
hình thành b m t t do nh
Hình 1-19 (a). M t m t t do c ng đ c t o thành trong kh i
n c. nh m t h n c ti p xúc v i khí quy n [Hình 1-19 (b)].
Các ch t l ng đ c coi là không nén đ c đ n m c th tích c a nó không thay đ i khi
áp su t thay đ i. i u này không th t chính xác, nh ng s thay đ i th tích do áp su t thay đ i
nh đ n m c có th b qua đ i v i h u h t các ng d ng k thu t.
Các ch t khí là lo i ch t nén đ c d dàng. Th tích c a chúng s thay đ i đ đi n đ y
bình ch a chúng. i u này đ c minh h a Hình 1-20, đó m t ch t khí đ c cho vào bình
r ng. Nh đã th y, các phân t khí luôn đi n đ y toàn b bình. Vì v y, không gi ng nh ch t
l ng có th tích xác đ nh đ i v i kh i l ng đã cho, th tích c a m t kh i khí đã cho s t ng
lên đ đi n đ y bình ch a nó. Các ch t khí b nh h ng r t l n b i áp su t. S t ng áp su t
làm cho th tích khí gi m, và ng c l i. Hình 1-20 t ng k t nh ng tính ch t v t lý khác nhau
c b n gi a ch t l ng và ch t khí đ i v i m t kh i l ng đã cho.
Không khí là ch t khí đ c dùng trong h th ng truy n đ ng khí nén vì nó không đ t
và có s n. Không khí c ng có nh ng đ c tính mong mu n nh m t ch t l ng trong truy n đ ng
th y khí nh sau:



CÁC PHÂN T
KHÍ

Hình 1-19. Ch t khí luôn đi n đ y
toàn b bình ch a.

Thông s

Ch t l ng

Ch t khí
Th tích đ
nó

c xác đ nh b i bình ch a

Th tích

Có th tích c a riêng nó

Hình d ng

Ch l y hình d ng bình ch a Giãn n đ đi n đ y hoàn toàn và l y
ph n th tích c a nó
hình d ng bình ch a

Tính nén đ



ng thay đ i th tích (in3, m3),

V = th tích ban đ u (in3, m3).

17

(1-1)


Mô đun đàn h i th tích c a d u thay đ i theo áp su t và nhi t đ . Tuy nhiên, đ i v i
s thay đ i áp su t và nhi t đ x y ra trong ph n l n các h th ng th y l c thì y u t này có th
b qua. Giá tr tiêu bi u c a mô đun đàn h i đ i v i d u là 250000 psi (1,72 . 106 kPa).
1.2.2 Tính nh t
Tính nh t là thu c tính quan tr ng nh t c a ch t l ng th y l c. Nó là th c đo s c c n
c a ch t l ng đ n dòng ch y. Khi đ nh t th p, ch t l ng ch y d dàng và nhìn có v loãng.
Ch t l ng có đ nh t cao s khó ch y và trông đ c h n.
Trong th c t , đ nh t lý t
nh t quá cao s d n đ n:

ng đ i v i m t h th ng th y l c là m t s dung hòa.

1. S c c n dòng ch y l n, làm quá trình ho t đ ng ch m.
2. T ng công su t tiêu th do t n th t ma sát.
3. T ng t n th t áp su t qua các van và đ

ng ng.

4. T ng nhi t đ gây ra do ma sát.
M t khác, n u đ nh t quá th p s d n đ n

v/ y

(1-2)

đây:
= ng su t ti p trong ch t l ng có đ n v l c trên di n tích đ n v (lb/ft2,
ng su t tr t (sinh ra b i l c F) gây nên s tr t c a các l p d u k nhau:

N/m2);

v = v n t c c a t m chuy n đ ng (ft/s, m/s);
y = chi u dày màng d u (ft, m);
µ = đ nh t tuy t đ i c a d u,
F = l c tác d ng lên t m chuy n đ ng (lb, N),
A = di n tích c a b m t t m chuy n đ ng tiêp xúc v i d u (ft2, m2).
T M DI

NG

CHI U DÀY
MÀNG D U

BI U

V NT C(

T MC

D C=


Do đó, chúng ta có th đ nh ngh a đ nh t tuy t đ i c a ch t l ng là l c c n thi t đ di
chuy n m t t m ph ng (có di n tích đ n v kho ng cách đ n v so v i t m c đ nh) v i v n
t c đ n v khi kho ng không gi a các t m đi n đ y ch t l ng. Vì v y, s d ng ch t l ng có đ
nh t càng cao thì c n có l c càng l n và ng c l i. i u này ch ng t r ng tính nh t là th c
đo s c c n c a ch t l ng đ i v i dòng ch y.

19


nh t th
cho (1-2) là:

ng đ



c bi u di n trong h CGS metric system. Trong h CGS, các đ n v

dyn / cm2
 dyn.s / cm2
cm / s  / cm

đây, dyne là l c làm t ng t c m t kh i l
dyne và newton nh sau:

ng 1g v i gia t c 1 cm/s2. Chuy n đ i gi a

1N = 105 dyn
nh t 1 dyn.s/cm2 đ c g i là poaz (poise). Poaz là đ n v l n c a đ nh t.
thu n ti n h n ta dùng đ n v centipoaz , vi t t t là cP.


 cS   0,226t 

195
, t  100 SUS
t

 cS   0,220t 

135
, t  100 SUS
t

c đ a ra b i các

(1-4)
(1-5)

đây ký hi u đ i di n cho đ nh t tính b ng cS và t là đ nh t đo b ng SUS, hay đ n
gi n là giây.

20


Hình 1-23. D ng c đo đ nh t Saybolt
nh t đ ng h c đ c đ nh ngh a nh là đ nh t tuy t đ i chia cho kh i l ng riêng.
Vì trong h CGS, kh i l ng riêng b ng t tr ng (vì H2O = 1 g/cm3 do v y có giá tr b ng 1),
ph ng trình sau có th dùng đ tìm đ nh t đ ng h c đo b ng cS n u đ nh t tuy t đ i đo
b ng cP, và ng c l i.


nh t tuy t đ i đo b ng centipoaz đ c tính b ng công
th c (1-6).
1.2.3 Ch s đ nh t
D u tr nên đ c h n khi nhi t đ gi m và loãng h n khi nóng lên. Vì v y, đ nh t c a
lo i d u đã cho ph i m t nhi t đ c th . i v i h u h t các tr ng h p, đ nh t b ng kho ng
150 SUS 100oF. Theo kinh nghi m chung thì đ nh t không bao gi gi m xu ng d i 50
SUS ho c t ng trên 4000 SUS b t k nhi t đ nào. n i nhi t đ thay đ i b t th ng, ph i
dùng ch t l ng có ch s đ nh t cao.
Ch s đ nh t là s đo t ng đ i v s thay đ i đ nh t c a d u đ i v i s thay đ i
nhi t đ . D u có ch s đ nh t cao là lo i có đ nh t t ng đ i n đ nh, thay đ i không đáng
k theo nhi t đ . Ban đ u ph m vi c a ch s đ nh t t 0 đ n 100, t ng ng v i ch s đ
nh t x u nh t đ n t t nh t. Ngày nay, v i k thu t tinh ch và các hóa ch t ph gia đ c c i
ti n, d u có các giá tr ch s đ nh t trên 100. Lo i d u có ch s đ nh t cao s d ng t t trong
m i th i ti t cho các máy ho t đ ng ngoài tr i có nhi t đ thay đ i b t th ng. đó ch s đ
nh t có ý ngh a đ c bi t. i v i h th ng th y l c có nhi t đ d u thay đ i không đáng k , ch
s đ nh t c a ch t l ng không là v n đ ph i quan tâm.
Ch s đ nh t (VI) c a b t k d u th y l c nào đ u có th tìm b ng công th c sau:
VI 

Trong đó

L U
 100
L H

(1-7)

L = đ nh t đo b ng SUS c a d u có ch s đ nh t là 0

100oF,

 100  50
 100 
2400  1000
L-H

NH T (SUS)

T T C CÁC
NG GIAO
NHAU
I M
NÀY

NHI T

Hình 1-25.

Các đ

(OF)

ng đi n hình đ ki m tra ch s đ nh t.

M t đ c tính khác liên quan đ n đ nh t đ c g i là đi m rót, là nhi t đ th p nh t mà
đó ch t l ng còn ch y đ c. Nó là thông s r t quan tr ng đ đ nh rõ các h th ng th y l c
s đ c s d ng n i có nhi t đ th p đ n m c nào. Theo kinh nghi m, đi m rót ít nh t ph i
th p h n nhi t đ th p nh t c a h th ng là 20oF.

24