Bài giảng Thủy lực khí nén - Chương 7: Cơ cấu chấp hành

CENNITEC 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Mạch vi sai 
M
P
A
T
P
D d
Q
q
Q + q
Nếu xy lanh được kết nối như trong hình 5.8, áp 
suất tại hai buồng của xy lanh là bằng nhau. Tuy 
nhiên, vì diện tích mặt piston lớn hơn điện tích mặt 
vành khăn nên lực tạo ra bởi áp suất ở mặt piston 
lớn hơn, xy lanh sẽ đi ra. 
Lưu lượng q từ buồng nhỏ của xy lanh 
kết hợp với lưu lượng của bơm Q cùng 
cung cấp vào buồng lớn của xy lanh. Nếu 
gọi V là vận tốc đi ra của xy lanh: 
Xét mặt vành khăn 
q = (π/4) (D2 – d2)v 
Xét mặt piston 
Q + q = (π/4) D2v 
Q = (π/4) d2v 
Vậy 
V = (4/ π) (Q / d2) = Q / a 
Với a là diện tích của ti xy lanh 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Một máy cắt như hình 5.10 bao gồm một bánh cắt có chuyển động quay và một 
bàn trượt theo phương nằm ngang. Bàn trượt được truyền động bởi xy lanh thủy 
lực có hành trình là 2 mét. Xy lanh cần phải có vận tốc nhanh xấp xỉ 3 m/min, và 
tự động chuyển qua vận tốc chậm để cắt khi áp suất trong hệ thống tăng lên ở 
giai đọan chi tiết tiếp xúc với đầu cắt. Vận tốc chậm khi cắt có thể được điều chỉnh 
từ 10 đến 150 mm/min. Vận tốc trở về của xy lanh được yêu cầu là không quá 
nhanh và xấp xỉ 3 m/min. 
Xy lanh có tải khi đi ra ở giai đọan nhanh và khi trở về là 500 kg, tải khi cắt là 2500 
kg. Áp suất tối đa của hệ thống là 70 bar. Hiệu suất của xy lanh là 0.9. 
Bàn trượt
Đầu cắt
Cennitec 
 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Chọn kích thước xy lanh 
D d
Hành trình ra
Nhanh Chậm
V1 = 3 m/min, F1=500 kg
V2 = 10 – 150 mm/min
 F2 = 2500 kg
Hành trình về
v = 3 m/min, f = 500 kg
Các thông số cơ bản như sau: 
1. Đường kính piston là D = 100 mm 
2. Đường kính ti là d = 70 mm 
3. Áp suất lớn nhất 40 bar 
Diện tích của piston khi đó là 
A = πD2/4 = 3.14 x (102) /4 = 78.5 cm2 
Diện tích của ti khi đó là 
a = πd2/4 = 3.14 x (72) /4 = 38.5 cm2 
Diện tích mặt vành khăn là 
(A –a) = 78.5 – 38.5 = 40 cm2 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Sử dụng mạch truyền thống 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Khi cuộn dây Y1 được cấp nguồn, dầu từ bơm 
vào thẳng buồng lớn của xy lanh làm xy lanh 
đi ra. Trong thời gian này xy lanh chạy không 
tải nên áp suất hệ thống chưa đủ để làm 
chuyển đổi trạng thái của công tắc áp suất. Vì 
vậy cuộn dây Y3 chưa được cấp nguồn, xy 
lanh làm việc với vận tốc nhanh là 3 m/min 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
V = 3 m/min = 1/20 m/s
Q = 23.55 l/min
Giai đọan xy lanh ra nhanh 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Khi xy lanh tiếp xúc với chi tiết, áp 
suất tăng cao đến giá trị ngưỡng 
của công tắc áp suất, cuộn dây 
Y3 được cấp điện, bằng việc điều 
chỉnh van E1, vận tốc xy lanh bị 
giảm đi E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
V = 60 mm/min = 0.001 m/s
Q = 23.55 l/min
q2 = 0.24 l/min
q
1
 =
 2
 x
 0
.2
4
 =
 0
.4
8
 l
/m
in
Q
d
ư =
 2
3
.5
5
 –
 0
.4
8
 =
 2
3
.0
7
 l/m
in
Giai đọan xy lanh ra chậm 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Công tắc áp suất
40 bar
v = 3 m/min = 1/20 m/s
Q = 23.55 l/min
q = 23.55/2 = 11.775 l/min
Q
d
ư =
 2
3
.5
5
 –
 1
1
.7
7
5
 =
 1
1
.7
7
5
 l/m
in
Ở hành trình đi về, bằng cách điều chỉnh 
van E2 xy lanh sẽ có được vận tốc mong 
muốn. 
Giai đọan xy lanh đi về 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Phân tích quá trình tiêu thụ năng lượng của hệ thống trong 1 chu kỳ làm việc 
Giai đọan xy lanh ra nhanh, toàn bộ 
năng luợng được dùng để xy lanh 
có vận tốc nhanh. Giai đọan này 
không có lưu lượng bị dư nên năng 
lượng tiêu hao vô ích bằng N1 = 0. 
Lưu lượng bơm cần cung cấp cho xy lanh 
ở giai đọan ra nhanh là 
Q (l/min) = 6 A(cm2) V( m/s) 
 = 6 x 78.5 (cm2) x (1/20) (m/s) 
 = 23.55 (l/min) 
Công suất tiêu thụ là 
N (kW)= (P (bar) x Q (l/min))/600 
 = (40 x 23.55)/600 = 1.57 kW E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
V = 3 m/min = 1/20 m/s
Q = 23.55 l/min
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Giai đọan xy lanh ra chậm 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
V = 60 mm/min = 0.001 m/s
Q = 23.55 l/min
q2 = 0.24 l/min
q
1
 =
 2
 x
 0
.2
4
 =
 0
.4
8
 l
/m
in
Q
d
ư =
 2
3
.5
5
 –
 0
.4
8
 =
 2
3
.0
7
 l/m
in
Năng lượng mất là 
N2 = (P x Q)/600 = 40 x 23.07 / 600 = 1.538 kW 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Giai đọan xy lanh đi về 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Công tắc áp suất
40 bar
v = 3 m/min = 1/20 m/s
Q = 23.55 l/min
q = 23.55/2 = 11.775 l/min
Q
d
ư =
 2
3
.5
5
 –
 1
1
.7
7
5
 =
 1
1
.7
7
5
 l/m
in
Năng lượng mất là 
N3 = (P x Q)/600 = 40 x 11.775 / 600 = 0.785 kW 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Tổng năng lượng mất trong một 
chu trình làm việc là 
N1 + N2 + N3 = 0 + 1.538 + 0.785 
= 2.323 kW 
Hiệu suất của hệ thống là 
[( 1.57 +1.57 -2.323 ) / (1.57 
+1.57 )] x 100% = 26 % 
E1
E2
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
V = 3 m/min = 1/20 m/s
Q = 23.55 l/min
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Sử dụng mạch vi sai 
E1
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
Tính các thông số cơ bản của hệ thống 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Giai đọan ra nhanh 
E1
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Nhanh Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
Q = 11.775 l/min
q2 = 11.775 l/min
q
1
 =
 1
1
.7
7
5
 +
 1
1
.7
7
5
 =
 2
3
.5
5
 l/m
in
Vì tỉ lệ diện tích hai mặt xy lanh là 2 : 1 
nên khi xy lanh ở giai đọan kết nối vi sai 
nó nhận một lưu lượng từ buồng thoát 
của nó đúng một lượng bằng lưu lượng 
của bơm. Do vậy, để xy lanh đi ra với 
vận tốc là 3 m/min thì lưu lượng của 
bơm chỉ cần 
23.55 / 2 = 11.775 l/min 
Giai đọan xy lanh ra nhanh, tòan bộ 
năng luợng được dùng để xy lanh có 
vận tốc nhanh. Giai đọan này không có 
lưu lượng bị dư nên năng lượng tiêu 
hao vô ích bằng N1 = 0 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
E1
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
Q = 11.775 l/min
q2 = 0.24 l/min
q
1
 =
 2
 x
 0
.2
4
 =
 0
.4
8
 l
/m
in
Q
d
ư =
 1
1
.7
7
5
 –
 0
.4
8
 =
 1
1
.2
9
5
 l/m
in
Giai đọan ra chậm 
Giả sử vận tốc giai đoạn này cũng là 60 mm/min. 
Khi đó van E cần chỉnh để lưu lượng thoát ra từ xy 
lanh là 0.24 l/min. Lưu lượng xy lanh nhận từ bơm 
là 
2 x 0.24 = 0.48 l/min 
Vậy lưu lượng dư là 
11.775 – 0.48 = 11.295 l/min 
Năng lượng mất mát ở giai đọan này là 
N2 = (P x Q)/600 = (40 x 11.295) / 600 = 0.753 kW 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Giai đọan về 
E1
Y1 Y2
Y3
P
A B
T
P
A
T
Chậm
Công tắc áp suất
40 bar
Q = 11.775 l/min
v = 3 m/min = 1/20 m/s
Ở giai đọan này xy lanh nhận hết lưu lượng 
của bơm là 11.775 l/min để về với vận tốc là 3 
m/min. Như vậy không có lưu lượng dư xả 
qua van giới hạn áp suất. Năng lượng mất ở 
giai đọan này là N3 = 0. 
Tổng năng lượng mất trên 1 chu kỳ làm việc 
là: 
N1 + N2 +N3 = 0 + 0.753 + 0 = 0.753 kW 
Công suất cung cấp là 
N = P x Q / 600 = (40 x 11.775) / 600 = 0.785 
kW 
Hiệu suất của hệ thống là 
[(0.785 + 0.785 – 0.753) / (0.785 + 0.785)] x 
100 = 52 % 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Truyền thống Vi sai
Bơm
Xy lanh
Động cơ
Hiệu suất
D = 100 mm, d = 70 mm D = 100 mm, d = 56 mm
23.55 l/min 11.775 l/min
1.57 kW 0.785 kW
52%26%
Bảng tổng kết trong trường hợp mạch truyền thống và mạch vi sai 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Mạch các xy lanh mắc song song và nối tiếp 
Xy lanh 1 Xy lanh 2
18 kN 12 kN
D1 = 76.2 mm
d1 = 38.1mm 
D2 = 63.5 mm
d2 = 31.75 mm
Từ bơm
Về bể chứa
Xy lanh 1 Xy lanh 2
18 kN 12 kN
Hai xy lanh có chuyển động đồng thời hay không? 
140 bar 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Xy lanh 1 Xy lanh 2
18 kN 12 kN
140 bar 
Hai xy lanh có chuyển động đồng thời hay không? 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
Xy lanh mắc nối tiếp Xy lanh 1 Xy lanh 2
18 kN 12 kN
D1 = 76.2 mm
d1 = 38.1mm 
D2 = 63.5 mm
d2 = 31.75 mm
Từ bơm
Về bể chứa
Tống áp suất cần cho xy lanh 1 là: 
Pc1Ac1 = Ff1 + Pr1ar1 + FL1 
 Pc1 = (2028.38 + 42.41 x 105 x 34.18 x 10-4 + 18 x 103) / 45.58 x 10-4 
 = 757.5 x 104 (N/m2) 
 = 75.75 bar 
Khi áp suất đạt tới giá trị 75.75 bar thì hai xy lanh chuyển động đồng thời. 
Cennitec 
CƠ CẤU CHẤP HÀNH 
V1
V2
Đường bù dầu
Van tuần tự
Y1 Y2P
A B
T
Van giới hạn áp suất 
Hệ thống hai xy lanh mắc nối tiếp có bù dầu 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Mạch dùng xy lanh kép 
M
Y1 Y2
Y3
C1
C2
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Giai đọan ra nhanh 
M
Y1 Y2
Y3
C1
C2
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
Y1 Y2
Y3
C1
C2
Giai đọan ép 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
Y1 Y2
Y3
C1
C2
Xy lanh đi về 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
Y1 Y2
S1
S3
S2
R1
R2
Y3
C1
C2
R3
Xy lanh nhiều ti 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M S1
S3
S2
R1
R2
Y3
C1
C2
R3
Y1 Y2
Ra nhanh 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
S1
S3
S2
R1
R2
Y3
C1
C2
R3
Y1 Y2
Ra chậm 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Hệ thống lái thủy lực 
Vị trí nghỉ
Hệ thống lái thủy lực
Van chống sốc
Van giới hạn áp suất
Bơm
Bộ phận chuyển mạch
Vô-lăng
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Điều khiển sang trái
Điều khiển sang trái 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Ngọai lực tác động lên bánh xe
Van chống sốc xả áp suất
Bộ chuyển mạch đóng
L R
Bộ điều chỉnh lưu lượng
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Chọn kích thước ti xy lanh 
Ti xy lanh thủy lực sẽ bị kéo hoặc nén khi tải tác động lên nó. Do vậy kích thước 
của nó phải đủ lớn để chống uốn khi tải tác động. Lý thuyết Euler về kéo nén 
được dùng để tính kích thước của ti xy lanh thủy lực: 
K = πEJ / L2 
Trong đó 
K = tải tới hạn (kg) , E = mođun đàn hồi của vật liệu (kg/cm2) (2.1 x 106 kg/cm2 đối 
với thép), J = Mô-men quán tính của ti (cm4) (πd4/64 với d là đường kính ti), và L 
= chiều dài qui ước, nó phụ thuộc vào cách gá đặt xy lanh 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
l
l
L = l
l
l
l
l
L = 2l
L = l/2
L = l/(2)½ 
l
l
L = chiều dài qui ước, nó phụ thuộc vào cách gá đặt xy lanh 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Một máy ép thủy lực có sơ đồ hệ thống được trình bày như trong hình 5.36 cùng 
với chế độ làm việc. Xy lanh ép đi ra với tải là 7t để nâng dụng cụ. Khi đã tiếp xúc 
với chi tiết, áp suất hệ thống tăng lên và kích họat công tắc áp suất để chuyển hệ 
thống đang ở chế độ vi sai sang chế độ truyền thống nhằm tăng lực ép. Công tắc 
áp suất được cài ở giá trị cao hơn 20% so với giá trị cần để nâng tải. Lực lớn nhất 
mà xy lanh có thể tạo ra là 20t. hành trình làm việc của xy lanh là 1.7 m. Xác định 
kích thước của xy lanh. Áp suất lớn nhất của hệ thống không được vượt qua 250 
bar. 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
1.7 m
cb
a
Vận tốc xy lanh 
(m/min)
15
5
Hành trình đi ra
Tải
7 t
20 t
Công tắc áp suất làm việc
Cuộn dây
a b c
Công tắc áp suấtTrạng thái
Xả tải
Vi sai
Truyền thống
Trở về
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1 1
1 = Cấp nguồn
2 = Ngắt nguồn
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Đường kính ti xy lanh 
Tải tới hạn trong trường hợp này là: 
K = πEJ / L2 
với K = 20 t = 20 000 kg, E = 2.1 x 106 kg/cm2 và J =πd4/64, d là đường kính ti xy 
lanh, và L là chiều dài qui ước. 
Chiều dài qui ước trong trường hợp này được tính như sau: 
L =l/(2) ½ = 1.7 / (2) ½ = 1.2 m 
 = 120 cm 
Đường kính yi xy lanh được tính như sau: 
d4 = (64 x L2 x K) / (π3 x E) 
 = (64 x 1202 x 20 000) /( π3 x 2.1 x 106) 
 = 283 cm4 
Vậy d = 4.1 cm 
 d = 41 mm 
Nếu tính theo hệ số an toàn là 3.5 thì đường kính ti được xác định như sau: 
K = 3.5 x 20 t = 70 t 
d4 = (64 x L2 x K) / (π3 x E) 
 = (64 x 1202 x 70 000) /( π3 x 2.1 x 106) 
 = 991 cm4 
Vậy d = 56 mm 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Đường kính piston 
Lực = 20 t 
Áp suất lớn nhất = 250 bar 
Hiệu suất xy lanh = 0.9 
Diện tích piston được tính như sau: 
A = (20 x 103 x 9.81) / (250 x 105 x 0.9) (Nm2/N) 
 = 0.00872 m2 
A = πD2/4 
Vậy 
D = [0.00872 x (4/π)]1/2 
 = 0.105 m = 105 mm 
Theo tiêu chuẩn, xy lanh được chọn có kích thước như sau: D = 125 mm, d = 70 mm. 
Với xy lanh này, áp suất cần cung cấp để tạo ra lực 20 t là: 
P = (20 000 x 9.81) / [(π/4) x 0.1252 x 0.9] (N/m2) 
 = 177.7 bar 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Trong thời gian thực hiện chế độ vi sai tải của hệ thống là 7t, áp suất cần 
cung cấp cho xy lanh ở giai đọan này là: 
(7000 x 9.81) / [(π/4) x 0.072 x 0.9] = 198.4 bar 
Công tắc áp suất cần cài ở giá trị lớn hơn 20% so với áp suất trên, vậy 
công tắc áp suất được cài với giá trị là: 
198.4 + 20% = 238 bar 
Lưu lượng cần cung cấp cho xy lanh ở giai đoạn vi sai bằng tích của diện 
tích ti và vận vận tốc, đó là: 
[(π x 0.072) / 4] x (15/60) (m3/s) = 57.7 l/min 
Lưu lượng cần cấp cho xy lanh ở giai đoạn mạch truyền thống là: 
[(π x 0.1252) / 4] x (5/60) (m3/s) = 31.3 l/min 
Vậy bơm cần phải cung cấp lưu lượng tối thiểu là 61.3 l/min. 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
Mạch kín 
M
M
15-20 bar
Mạch make-up
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
M
Brake van
Mạch kín bù dầu nhờ lực trọng trường 
Cennitec 
Một số mạch đặc biệt về xy lanh 
15-20 bar
M
Mạch make-up
Motion control valve
RV3
RV1
RV2
Mạch kín với mạch làm “tươi” 
CENNITEC 
www.themegallery.com