Giáo trình Điều khiển hệ thống khí nén. Thủy lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 
---------------*****---------------- 
GIÁO TRÌNH 
ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN – THỦY LỰC 
(Lưu hành nội bộ) 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư 
 Ths. Nguyễn Phúc Đáo 
Hưng yên, tháng 09 năm 2013 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 2 
MỞ ĐẦU 
Những năm sau khi cuộc cách mạng công nghiệp nổ ra, do sự tất yếu của quá trình 
tự động hóa trong sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và 
đa dạng hơn. 
Hệ thống điều khiển bằng khí nén thường được sử dụng trong các lĩnh vực có nguy 
cơ xảy ra các nguy hiểm cao do điều kiện vệ sinh môi trường khá tốt và tính an toàn cao. 
Hệ thống điều khiển bằng khí nén thường được sử dụng trong các lĩnh vực như: các 
thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết, lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử hay 
trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra... 
Ứng dụng trong các dụng cụ, máy va đập trong lĩnh vực khai thác than, khai thác đá 
hoặc trong công trình xây dựng. 
Truyền động quay với công suất lớn bằng khí nén giá thành rất cao, cao hơn từ 10 
đến 15 lần so với động cơ điện. Nhưng ngược lại, thể tích và năng lượng chỉ bằng 2/3 
như những dụng cụ vặn vít, máy khoan, máy mài là những dụng cụ có khả năng sử dụng 
truyền động bằng khí nén. 
Để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nhóm tác giả trong Bộ 
môn Điều khiển & Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật 
Hưng yên đã tiến hành biên soạn giáo trình Điều khiển hệ thống khí nén – thủy lực cho 
sinh viên ngành Điện – Điện tử. Nội dung giáo trình liên quan đến hai lĩnh vực điều 
khiển lớn: Điều khiển bằng khí nén và điều khiển thủy lực. Giúp cho sinh viên có được 
sự so sánh giữa hai kỹ thuật điều khiển, từ đó rút ra được những ưu nhược và điểm giữa 
hai kỹ thuật điều khiển này. Trong quá trình biên soạn giáo trình, nhóm tác giả sẽ không 
tránh khỏi những sai sót, mong được sự đóng góp để lần biên soạn sau được hoàn thiện 
hơn. Mọi đóng góp xin được liên hệ theo địa chỉ sau: 
Nguyễn Viết Ngư, Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Sư phạm kỹ thuật Hưng yên; 
Mail: ngunguyenviet@yahoo.com. Xin trân thành cám ơn. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 3 
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN 
1.1. Những đặc điểm cơ bản 
Hệ thống khí nén được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc 
biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc 
hại. Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu phân loại, đóng gói sản 
phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động; các ngành gia công cơ khí, công nghiệp 
khai thác khoáng sản 
* Các dạng truyền động sử dụng khí nén: 
 + Truyền động thẳng: được sử dụng nhiều như trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết 
khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm Do kết cấu đơn 
giản, điều khiển linh hoạt nên hệ thống khí nén có ưu thế hơn hệ thống truyền động điện 
trong chuyển động thẳng. 
+ Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động cao, 
công suất không lớn nhưng cần khả năng chịu quá tải sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so 
với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít 
trong sửa chữa và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dưới 3kW, tốc độ yêu 
cầu có thể tới hàng chục nghìn vòng/phút. Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công 
suất lớn, chi phí cho hệ thống khí nén sẽ rất cao so với truyền động điện. 
* Những ưu nhược điểm cơ bản: 
+ Ưu điểm: 
- Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và chứa trong bình 
chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng. Trong thực tế vận 
hành, người ta thường xây dựng trạm nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác 
nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc 
- Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ; 
- Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại cho 
môi trường. 
- Tốc độ truyền động cao, linh hoạt; 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 4 
- Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác; 
- Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả. 
+ Nhược điểm: 
- Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí 
cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy 
nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện; 
- Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả 
năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc 
quay đều thường là khó thực hiện. 
- Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn. 
 Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống khí nén, người ta thường 
kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng các giải 
pháp điều khiển khác nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình, máy tính 
Vài ví dụ về ứng dụng khí nén: 
Hình 1.1a mô tả thiết bị nạp phôi. Thiết bị phải được điều khiển sao cho các xilanh 
1A1, 1A2 khống chế từng cặp hai phôi được chuyển qua. Số lượng phôi được nạp mỗi 
lần có thể được điều khiển theo ý muốn. 
Hình 1.1a Thiết bị nạp phôi 
Hình 1.1b mô tả thiết bị khoan tự động. Các xilanh được điều khiển trình tự trong 
từng chu trình khép kín hoặc liên tục nhiều chu trình. Xilanh 1A cấp phôi từ kho chứa 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 5 
phôi và kẹp chặt. Xilanh 2A dẫn tiến khoan, độ sâu lỗ khoan được kiểm soát bằng các 
đầu đo. Khi độ sâu lỗ khoan đã thỏa mãn, 2A tự động rút lên. Khi 2A đã rút về tới vị trí 
ban đầu, 1A sẽ được điều khiển rút về và tiếp theo 3A đẩy sản phẩm vào thùng chứa. 
Hình 1.1b Thiết bị khoan tự động 
1.2. Cấu trúc của hệ thống khí nén 
Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị: 
- Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý 
khí nén ( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô), 
- Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều 
khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành, khống chế lưu lượng, áp suất khí nén. 
- Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén, giác hút 
Dựa vào dạng năng lượng của tín hiệu dùng cho điều khiển hệ thống, người ta chia 
ra hai dạng hệ thống khí nén: Hệ thống điều khiển hoàn toàn bằng khí nén, trong đó tín 
hiệu điều khiển là dòng khí nén và do đó kéo theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác 
động bởi dòng khí nén – Gọi là hệ thống điều khiển bằng khí nén (Hình 1.2a). Hệ thống 
điều khiển điện – khí nén - các phần tử xử lý và điều khiển hoạt động bằng tín hiệu là 
dòng điện điều khiển hoặc kết hợp tín hiệu điện và khí nén (Hình 1.2b). 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 6 
Hình 1.2a Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén 
Hình 1.2b Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng điện – khí nén 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 7 
1.3. Một số cơ sở tính toán trong kỹ thuật khí nén 
Bảng các đại lượng và đơn vị thường dùng trong kỹ thuật khí nén 
Đại lượng 
Đơn vị 
Ký hiệu 
Tên gọi 
Tiếng Anh Tiếng Việt 
l Length Chiều dài m 
m Mass Khối lượng Kg 
T Temperature Nhiệt độ K 
F Force Lực N 
A Area Diện tích m2 
V Volume Thể tích m3 
qV Volumetric flow rate Lưu lượng m
3/s 
qB Air consumption Khí tiêu thụ l/min 
qn Nominal flow rate Lưu lượng danh định l/min 
p Pressure Áp suất 
Pa; bar 
pabs Absolute pressure Áp suất tuyệt đối 
pamb Ambient pressure Áp suất môi trường 
pe Excess pressure Áp suất dư 
∆p Differential pressure Chênh lệch áp suất 
pn Standard pressure Áp suất tiêu chuẩn Pn= 101325 
Pa 
A Piston surface Diện tích mặt Pittông m2 
A’ Annular surface (ring area) Diện tích vành khăn m2 
d Piston rod diameter Đường kính cần Pittông m 
D Cylinder diameter Đường kính trong Xilanh m 
Feff Effective piston force Lực tác dụng bởi pittông N 
FF Force of retract spring Lực phản hồi bởi lò xo N 
FR Friction force Lực ma sát N 
s Stroke length Giới hạn tác động (của cần piston) cm 
n Revolutions per minute Tốc độ quay ( cho động cơ) vg/phút 
(rpm) 
v Velocity of piston Vận tốc của Pittông m/s 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 8 
1. Đơn vị đo áp suất 
* Đơn vị thường dùng là Pascal (Pa). 1 Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có 
diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1N. 
 21 1
N
Pa
m
= 
Bội số của Pascal là Mpa (Mêga pascal) =106 Pa 
* Đơn vị bar: 1bar = 105Pa; 1bar ~ 1at 
* Ngoài ra, người ta còn dùng psi, 1bar = 14,5 psi và 1psi = 0,6895bar . 
2. Các định nghĩa về áp suất không khí 
Hình 1.4 mô tả các dạng áp suất: 
* Pamb là áp suất môi trường xung quanh hay áp suất khí quyển, nó thường dao động 
theo địa hình hoặc thời tiết, Pamb ≈ 1bar so với chân không tuyệt đối. 
* Áp suất tuyệt đối (Pabs) là giá trị áp suất so với chân không tuyệt đối. 
Như vậy, tại chân không tuyệt đối Pabs=0. 
* Áp suất tương đối hay áp suất dư (Pe): Pe= Pabs- Pamb 
Hình 1.4 chỉ rõ hai trường hợp về áp suất dư: Pe>0 khi tại điểm đo, áp suất tuyệt đối 
cao hơn áp suất khí quyển ; và ngược lại Pe<0 (áp suất chân không). 
Chú ý: Trong hệ thống khí nén – các thông số kỹ thuật của thiết bị về áp suất đều 
được biểu diễn ở dạng áp suất dư Pe và ký hiệu ngắn gọn là P. 
Hình 1.4 Mô tả các dạng áp suất 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 9 
3. Một số định luật áp dụng trong tính toán về khí nén 
Hình 1.5 Quá trình nén khí 
3.1. Định luật Boyle - Mariottes 
Khi nhiệt độ không khí trong quá trình nén được giữ không đổi (T = const), thì: 
Pabs. V = const hoặc Pabs 1.V1 = Pabs 2.V2 
Trong đó: 
Thể tích khí nén V1 [m
3] ở áp suất P1 
Thể tích khí nén V2 [m
3] ở áp suất P2 
Hình 1.5 mô tả nguyên lý cơ bản của các máy nén khí. 
3.2. Định luật 1. Gay - Lussac 
Khi áp suất được giữ không đổi (P = const), thì: 
2T
1T
2V
1V = hoặc const
T
V
= 
Trong đó: 
V1 là thể tích khí tại nhiệt độ T1; 
V2 là thể tích khí tại nhiệt độ T2; 
T [K], thang nhiệt độ Kelvin. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 10 
3.3. Định luật 2. Gay - Lussac 
Khi giữ thể tích khí nén không đổi (V= const), thì: 
2T
1T
2absP
1absP = hoặc const
T
P
= 
Khi cả ba đại lượng (P, V, T) có thể thay đổi, thì: 
 const
.VabsP
T
= hay 
2T
2.V2absP1.V1absP
1T
= 
4. Lưu lượng 
Lưu lượng dòng khí nén được tính: 
t
V
Q = = [lit/s] hay [lit/min] hoặc [m3/s] hay [m3/min]. 
Trong đó: 
Q: lưu lượng, V: thể tích khí chuyển qua tiết diện ngang của đường ống hay buồng 
xilanh trong 1 đơn vị thời gian t. 
Lưu lượng dòng khí nén có ý nghĩa quan trọng là yếu tố ảnh hưởng vận tốc làm việc 
của các cơ cấu chấp hành. 
5. Vận tốc làm việc của cơ cấu chấp hành 
Khi tải trọng của truyền động không đổi, vận tốc của cơ cấu chấp hành được xác 
định theo quan hệ: 
A
Q
v = . Khi Q[m3/s]; A[m2] thì v[m/s], như vậy, trong trường hợp 
dung tích hành trình của cơ cấu chấp hành và tải trọng không đổi, tốc độ truyền động tỷ 
lệ thuận với lưu lượng Q. 
 Trong kỹ thuật khí nén, người ta dùng các van tiết lưu (điều tiết lưu lượng) để 
khống chế vận tốc của cơ cấu chấp hành. 
Chú ý rằng: Đặc điểm truyền động khí nén là vận tốc của cơ cấu chấp hành phụ 
thuộc không những vào lưu lượng khí nén mà còn phụ thuộc nhiều vào tải trọng. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 11 
6. Lực 
Hình 1.6 Tính toán lực 
Lực đẩy hay kéo của Piston (Hình 1.6) gây bởi tác dụng của khí nén có áp suất P 
được tính theo công thức: P.AF = = [N], trong đó: P là áp suất khí nén [Pa]; A là điện 
tích bề mặt Piston[m2]; F lực tác dụng vuông góc với bề mặt Piston [N] gần đúng coi là 
lực đẩy hoặc kéo mà Xilanh thực hiện. 
Trong hình vẽ, các diện tích A1, A2 khác nhau (A2 = A1 –A3), A3 là diện tích tiết diện 
của cần piston, nên các lực tác dụng cũng khác nhau tại cùng một nguồn khí nén có áp 
suất P: F1=P.A1; F2=P.A2 → F1>F2. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 12 
Chương 2: CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG KHÍ NÉN 
Trong công nghiệp, tùy theo quy mô sản xuất, hệ thống khí nén có thể có áp suất, 
lưu lượng khác nhau với những mục đích sử dụng khác nhau, song hệ thống thường bao 
gồm các khối thiết bị như : 
- Khối nguồn khí nén: Trạm khí nén với máy nén khí, bình tích áp và các thiết bị xử 
lý, các bộ điều hoà phục vụ 
- Hệ thống phân phối khí nén 
- Các phần tử điều khiển, giám sát các cơ cấu chấp hành thực hiện các quá trình cơ 
của máy công nghệ. 
2.1. Khối nguồn khí nén 
Yêu cầu tối thiểu, khí nén cũng phải được xử lý sơ bộ đảm bảo các tiêu chuẩn: 
- Đủ áp suất yêu cầu; 
- Ổn định; 
- Khô; 
- Không lẫn bụi bẩn. 
Các tiêu chuẩn này mới chỉ đáp ứng các yêu cầu chung và được dùng trong các 
công việc như làm sạch sản phẩm, môi trường, bơm hơi 
Để đáp ứng yêu cầu cao hơn, khí nén còn phải được xử lý thêm qua một số khâu 
quan trọng như lọc hơi nước triệt để hơn; điều chỉnh và ổn định áp suất theo ý muốn; vận 
chuyển dầu bôi trơntrước khi đưa tới các hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. 
2.1.1. Máy nén khí 
Việc lựa chọn máy nén khí dựa theo yêu cầu về áp suất làm việc của các thiết bị 
chấp hành (Xilanh, động cơ, giác hútvà được lựa chọn theo yêu cầu công nghệ có sử 
dụng khí nén) và các yêu cầu khác như kích thước, trọng lượng, công suất, mức độ gây 
tiếng ồn của máy nén khí. 
Trong thực tế, máy nén khí khá đa dạng, có thể phân nhóm theo nguyên tắc cấu tạo 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư; Ths. Nguyễn Phúc Đáo 13 
như sau: 
- Nhóm máy nén làm việc theo nguyên lý giảm thể tích để tăng áp suất. Nhóm này gồm 
máy nén kiểu Piston một cấp, nhiều cấp; máy nén kiểu màng; máy nén quay như máy nén 
cánh gạt; Máy nén kiểu trục vít 
- Nhóm máy nén lưu lượng: làm việc theo nguyên lý biến động năng dòng khí thành 
khí có áp suất, gồm các máy nén dạng hướng trục, hướng kính. 
1) Máy nén kiểu Piston 
- Một cấp: áp suất xấp xỉ 600kPa (6 bar) 
- Hai cấp: áp suất xấp xỉ 1500kPa (15bar), có thể thiết kế số cấp nhiều hơn và 
P> 15bar. 
Lưu lượng xấp xỉ 10m3/min, làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích. Piston đi 
xuống sẽ hút không khí (đã được lọc thô) vào qua van hút. Đến hành trình piston đi lên, 
van hút được đóng lại, van đẩy được mở để nén không khí vào bình tích áp. Mỗi vòng 
quay sẽ thực hiện một kỳ hút và một kỳ nén. 
a) Máy nén khí một cấp 
Cửa hút Cửa đẩy
b) Máy nén khí hai cấp 
Hình 2.1 Máy nén kiểu Piston 
Lưu lượng của máy nén khí tính cho một cấp được á ... P được trả lại giá 
trị ban đầu không đổi. 
Ngược lại, nếu áp suất đầu ra (P3) tụt xuống (tốc độ cơ cấu chấp hành có xu hướng 
tăng), chênh lệch áp suất ∆P tăng, kết quả là lực F2 < F1 dẫn đến van tự chỉnh (1) đóng 
bớt lại cho đến khi lập lại cân bằng F1= F2. 
Theo nguyên tắc làm việc trên, lưu lượng chuyển qua van này được giữ ổn định và 
vì vậy vận tốc của các cơ cấu chấp hành sẽ được ổn định khi tải trọng của chúng thay đổi 
ta có bộ ổn tốc. 
Ứng dụng van ổn tốc (hình 5.36). 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 133 
a) Hệ thống làm việc khi có tải 
b) Hệ thống làm việc khi không có tải 
Hình 5.36 Ứng dụng van ổn tốc 
5.9. Cơ cấu chấp hành 
5.9.1. Các xilanh thủy lực 
Trong hệ thống thủy lực, người ta cũng sử dụng hai loại xilanh cơ bản: 
- Xilanh tác dụng đơn (Single- acting cylinder) 
- Xilanh tác dụng kép (Double- acting cylinder) 
1) Xilanh tác dụng đơn 
Xilanh tác dụng đơn thực hiện biến đổi năng lượng thủy lực thành cơ năng chỉ cho 
một chiều, chiều ngược lại: do lực từ bên ngoài hoặc lò xo phản hồi của nó. Xilanh tác 
dụng đơn thường được sử dụng làm cơ cấu nâng, bàn nâng, bàn kẹp 
Hình 5.37 Xilanh tác dụng đơn 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 134 
2) Xilanh tác dụng kép (xem bảng) 
Bảng 5.4 Các loại xilanh tác dụng kép 
Các phương trình thường dùng trong tính toán lựa chọn các xilanh: 
- Tốc độ truyền động: v= Q/A [m/s]; 
- Lực tác dụng F = P.A. η [N]; 
- Hệ số tỷ lệ diện tích piston φ = Ap/Apr . 
Trong đó: η là hiệu suất tổng hợp của piston (0,85 – 0,95); Ap là diện tích piston phía 
không có cần và Apr là phía có cần piston. 
5.9.2. Động cơ thủy lực 
Các động cơ thủy lực thuộc vào nhóm các phần tử chấp hành, chúng biến đổi năng 
lượng thủy lực thành cơ năng và tạo nên chuyển động quay hoặc xoay lắc – đối với các 
động cơ hạn chế góc quay. Cũng như các xi lanh thuỷ lực, các động cơ thuỷ lực cũng 
được điều khiển bẳng các van điều khiển đảo chiều. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 135 
Động cơ thủy lực cũng có cấu tạo và các thông số tương tự bơm thủy lực, ví dụ về 
một động cơ thuỷ lực kiểu bánh răng tiếp xúc ngoài được biểu diễn trên hình 5.38. 
Hình 5.38 Động có thủy lực kiểu bánh răng 
 Các phương trình dùng trong tính toán: p= M/v; Q= n.v. 
trong đó: 
p: áp suất [Pa]; 
M: mô men [Nm]; 
v: thể tích hành trình [cm3]; 
Q: Lưu lượng; 
n: Tốc độ quay [r.p.m- revolutions per minute] hay [1/min]. 
Công suất cơ trên trục động cơ: P= M.ω[w] với ω là tốc độ góc [rad/s] hay[1/s]. 
Một động cơ thủy lực của hãng Festo cho trên hình 5.39. 
Hình 5.39 Động cơ thủy lực (quay hai chiều) 
5.10. Các dụng cụ đo lường 
4.10.1 Dụng cụ đo áp suất 
1) Dụng cụ đo áp suất kiểu ống đàn hồi. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 136 
Phần lớn các dụng cụ đo áp suất trong hệ thống thuỷ lực đều sử dụng dụng cụ đo áp 
suất dựa trên nguyên tắc ống đàn hồi (hình 5.40). 
Hình 5.40 Dụng cụ đo áp suất 
Nguyên lý làm việc: Khi dòng thuỷ lực có áp suất P được đưa vào ống đàn hồi, áp 
lực tác dụng làm giãn ống kéo kim chỉ thị quay một góc tỷ lệ với giá trị áp suất cần đo. 
Dụng cụ loại này có thể đo áp suất lớn (>100bar). 
2) Dụng cụ đo áp suất kiểu màng đàn hồi 
Trong dụng cụ này, ống đàn hồi được thay bằng màng đàn hồi. Loại dụng cụ này 
được dùng đo áp suất nhỏ (<25bar). 
3) Dụng cụ đo áp suất kiểu piston 
Piston tác dụng một phía với lò xo phản kháng. Khi áp lực của dòng thuỷ lực làm 
dịch chuyển piston cân bằng với lực đàn hồi của lò xo - vị trí của piston được xác định 
qua một cơ cấu chỉ thị tỷ lệ với áp suất cần đo. 
4) Sensor áp suất 
Các sensor đo áp suất chất lỏng hiện nay hầu như cấu tạo dựa trên hiệu ứng áp điện - 
lực tác dụng làm thay đổi trở kháng của phần tử áp điện. Thông qua một cầu cân bằng, 
điện áp trên đường chéo của cầu thay đổi tỷ lệ với áp suất cần đo. Bằng phương pháp xử 
lý kết quả đo khác nhau, ta có tín hiệu ra của sensor là dạng số hay tương tự. 
5.10.2. Dụng cụ đo lưu lượng 
1) Ống đo lưu lượng kiểu piston 
Dụng cụ là một ống được ghép nối tiếp vào đường ống cần đo lưu lượng dòng chảy 
liên tục. Các bộ phận cơ bản gồm: nón cố định, piston, lò xo phản kháng và thang đo 
(hình 5.41). 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 137 
Hình 5.41 Dụng cụ đo lưu lượng 
Nguyên lý làm việc: khi dòng thuỷ lực chảy qua, piston bị đẩy về phía nén lò xo 
phản kháng, khe hở giữa piston và nón cố định sẽ mở rộng tiết diện cho đến khi có sự cân 
bằng lực từ phía piston và lực phản hồi lò xo. Giá trị lưu lượng phụ thuộc vào độ chênh 
lệch áp suất tại khe hở và hành trình của piston. Vị trí của piston phản ánh qua thang đo 
xác định giá trị lưu lượng cần đo. Sai số của dụng cụ đo 4%. 
2) Ống đo lưu lượng kiểu tua bin 
Dòng thuỷ lực tác dụng lên cánh tua bin (hình 5.42) làm cho tua bin quay. Tốc độ 
quay của tua bin phản ánh giá trị lưu lượng chảy qua đường ống. Người ta có thể dùng 
một đầu đo cảm ứng điện từ để xác định số cánh tua bin quét qua đầu đo trong một 
khoảng thời gian thực. Tức là xác định tốc độ quay của tua bin để thiết lập tốc độ dòng 
chảy và suy ra lưu lượng cần đo. 
Hình 5.42 Ống đo lưu lượng kiểu tua bin 
3) Sensor lưu lượng 
Ký hiệu trên sơ đồ thủy lực được mô tả trên hình 5.43. 
Hình 5.43 Ký hiệu sensor lưu lượng trên sơ đồ thủy lực 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 138 
Nguyên tắc làm việc dựa trên việc đo tốc độ quay của trục động cơ thủy lực (bằng 
máy phát tốc hay encoder) trong quan hệ n ~ q. Bằng bộ chuyển đổi hiển thị để có hệ đơn 
vị [lít/phút] hay [lít/min]. 
5.11. Các thí nghiệm xác định đặc tính các phần tử 
5.11.1. Thí nghiệm đặc tính của bơm thủy lực 
Một trong những đặc tính quan trọng của bơm là quan hệ lưu lượng và áp suất 
Q=f(P) Sơ đồ hệ thống làm thí nghiệm cho trên hình 5.44, thực hiện cho một bơm có áp 
suất cực đại cho phép là 60 bar và được bảo vệ bằng van an toàn. 
Hình 5.44 Xác định đặc tính Q = f(p) của bơm 
Các bước thực hiện: 
Bước 1: Mở toàn bộ van chắn 1V 
Bước 2: Khởi động bơm 
Bước 3: Đóng từ từ van 1V để có áp suất theo các giá trị đã chọn (đọc trên OZ2) và 
đọc giá trị lưu lượng tương ứng trên lưu lượng kế 1S. Kết quả thí nghiệm ghi trong bảng 
5.5 và đồ thị tương ứng trên hình 5.45. 
Bảng 5.5 Kết quả thí nghiệm 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 139 
Hình 5.45 Đồ thị đặc tính Q = f(p) của bơm 
Đặc tính Q= f(P) được xét đoạn tuyến tính. Khi áp suất càng cao thì lưu lượng càng 
giảm, tức là lượng rò rỉ về thể tích càng lớn. Tương ứng tại mỗi điểm có một giá trị hiệu 
suất đánh giá tỷ lệ rò rỉ trong bơm. 
5.11.2. Thí nghiệm quan hệ áp suất và lưu lượng qua van giới hạn áp suất 
Để đánh giá chất lượng một van giới hạn áp suất, người ta làm thí nghiệm trên hệ 
thống cho trên hình 5.46. 
 Các bước tiến hành: 
Bước 1: Đóng hoàn toàn van chắn 1V1; điều chỉnh lò xo để van giới hạn 1V2 mở 
sớm nhất. 
Bước 2: Khởi động bơm. 
Bước 3: Điều chỉnh đóng từ từ van 1V2 và theo dõi áp suất hệ thống trên OZ2 cho đến khi đạt 
50bar. 
Bước 4: Mở hoàn toàn van chắn 1V1. 
Bước 5: Đóng từ từ van 1V1 để có các giá trị áp suất mong muốn (theo dõi trên OZ2) 
cùng với các giá trị lưu lượng tương ứng đọc trên lưu lượng kế 1S. 
Các số liệu ghi vào bảng 5.6 Và đồ thị tương ứng cho trên hình 5.46. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 140 
Hình 5.45 Xác định đặc tính Q = f(p) của van giới hạn áp suất 
Bảng 5.6 Quan hệ giá trị áp suất và lưu lượng qua van giới hạn áp suất 
Hình 5.47 Đặc tính của một van giới hạn áp suất 
Chú ý: Do độ nhạy của van, lưu lượng chảy qua van bắt đầu ngay từ khi áp suất tăng 
đến giá trị xấp xỉ 45bar cho đến 50bar thì hầu như lưu lượng được phân nhánh hoàn toàn. 
Lưu lượng chảy qua van không thể tăng tới giá trị xấp xỉ 60 bar vì ở giá trị này van an 
toàn đã mở phân nhánh để bảo vệ an toàn cho bơm. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 141 
5.11.3. Thí nghiệm xác định tổn thất áp suất trên các phần tử điều khiển thủy lực 
Sơ đồ mạch thí nghiệm cho trên hình 5.48. 
Hình 5.48 Xác định tổn thất áp suất trên van 
Các bước thực hiện: 
Bước 1: Chọn giá trị giới hạn cho van OV1 bằng van chắn OV3. 
Bước 2: Mở hoàn toàn van chắn OV3; thay lần lượt các van 1V1 – 1V4 vào vị trí ô 
trống và cho chúng mở hoàn toàn. 
Bước 3: Điều chỉnh một giá trị lưu lượng cho van ổn định lưu lượng OV2 để phục 
vụ cho thí nghiệm xác định tổn thất áp suất ∆P trên các van. Ví dụ chọn giá trị lưu lượng 
Q=2 l/min cho van ổn định bằng việc theo dõi lưu lượng kế 1S. 
Bước 3: Ứng với mỗi van (1V1-1V4), đọc các giá trị áp suất tương ứng trên các 
đồng hồ OZ3; OZ4, khi đó ∆P = POZ3 – POZ4 . 
Kết quả thí nghiệm cho một số các phần tử thủy lực của hãng Festo ghi trong bảng 
5.7. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 142 
Bảng 5.7 Kết quả thí nghiệm cho một số các phần tử thủy lực của hãng Festo 
5.11.4 Tính toán thông số làm việc của cơ cấu chấp hành 
1. Một số tính toán cho Xilanh 
a) Mô hình công nghệ 
b) Mạch điều khiển 
Hình 5.49 Xác định tổn thất áp suất trên van 
Một hệ thống được mô tả trên hình 5.49(a) phục vụ đóng mở lắp của một lò nung. 
Lắp và các bộ phận kèm theo làm tải cho xi lanh có khối lượng 9 kg. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 143 
Giả sử đã lựa chọn các phần tử: 
- Xi lanh tác dụng một phía – không cần lò xo phản hồi, điều khiển bằng van 3/2 
hoặc 4/2 làm việc như van 3/2 – điều khiển bằng tay. Các thông số của xilanh: 
- AP = 2cm
2; Độ dài cần piston L = 200 mm. 
- Bộ nguồn thủy lực, bảo vệ bằng van an toàn, Pmax = 60bar; bơm có Q=2l/phút. 
- Van giới hạn áp suất khi van điều khiển 1V khóa: P= 50 bar. 
- Van một chiều bảo vệ bơm OV1, có áp suất mở P =1bar. 
- Các đồng hồ chỉ thị áp suất (OZ1; OZ2; OZ3 và 1Z1). 
Giả thiết lưu lượng không đổi; 1Z1 chỉ khi nâng 8 bar, khi hạ 0bar, hãy tính: 
Tốc độ nâng của xi lanh (vN), Thời gian nâng hết hành trình (tN); 
Áp suất gây nên bởi tải trọng (PT); 
Trở lực; 
Điều kiện nâng tải trọng 
Giải: 
* Tốc độ nâng: 
3
2 2
2000
2
60min 0.17
2 2N N
cml
q msv
A cm cm s
= = = = ; 
* Thời gian: 
200 0.2
1.2
0.17 0.17
N
N
S mm m
t s
m mv
s s
= = = = ; 
* Áp suất tải: 
2 2
90
45 4.5
2
G
T
N
F N N
P bar
A cm cm
= = = = ; 
* Trở lực = (Áp suất khi nâng) – (Áp suất tải) = 8 bar – 4.5 bar = 3.5 bar. 
* Điều kiện để nâng tải là: Áp suất đối lực (back pressure) phải nhỏ hơn đáng kể so 
với trở lực. Phần lớn các trường hợp, khi nâng tải trong, áp suất đối lực đưa về áp suất bể 
chứa. 
2. Một số tính toán cho động cơ thủy lực 
Các phương trình dùng trong tính toán: p= M/v; Q= n.v; 
trong đó: 
p: áp suất [Pa]; 
M: mô men [Nm]; 
v: thể tích hành trình [cm3]; 
Q: Lưu lượng; 
n: Tốc độ quay [r.p.m- revolutions per minute] hay [1/min]; 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 144 
Công suất cơ trên trục động cơ: P=M.ω[w] với ω là tốc độ góc [rad/s] hay [1/s]. 
Ví dụ cho trên hình 5.50. Cuộn đường ống mềm dẫn dầu/xăng của một xe xitec được 
truyền động bằng một động cơ thủy lực. Ống dẫn được tời ra, dừng khi đủ độ dài cần 
thiết hoặc cuộn lại. Ngoài ra, tốc độ thực hiện cũng cần phải được điều chỉnh thích hợp. 
Để thực hiện chức năng đó, mạch điều khiển thủy lực cần có như hình 5.56. 
Như vậy: Van 4/3 (1V) có vị trí giữa xả tải máy bơm, các vị trí còn lại phục vụ đảo 
chiều động cơ. Van OV tiết lưu hai chiều 
 đặt chỉnh tốc độ động cơ. Các dụng cụ đo áp 
suất, lưu lượng cần cho đo lường, khảo sát và hiệu chỉnh khi bảo trì. 
a) Mô hình công nghệ 
b) Mạch điều khiển 
Hình 5.50 Quan hệ lưu lượng và tốc độ của động cơ 
Người ta tiến hành thí nghiệm quan hệ lưu lượng và tốc độ của động cơ. Kết quả 
tham khảo bảng 5.8 và đồ thị hình 5.51. 
Các bước tiến hành: 
Bước 1: Van 4/3 đưa về trạng thái trung gian; khởi động bơm; điều chỉnh van tiết 
lưu và theo dõi, ghi giá trị lưu lượng từ lưu lượng kế. 
Bước 2: Chọn một chiều quay cho động cơ bằng van 4/3; đếm số vòng quay của 
động cơ, dùng đồng hồ bấm giây theo dõi thời gian. 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 145 
a) 
b) 
Hình 5.51 Quan hệ lưu lượng và tốc độ của động cơ 
Nếu ứng với lưu lượng cung cấp cho động cơ (ví dụ bằng 1.5l/min) và đo được áp 
suất tương ứng ở đầu vào của động cơ (ví dụ 45bar- bằng dụng cụ OZ2) thì: 
- Công suất đưa ra đầu trục động cơ, kí hiệu PM là: 
3 3
5
2
10
P . 45.10 .1,5 112,5[W]
60M M M
N m
p q
m s
−
= = = . 
- Mô men động cơ đưa ra trục: 
P P .60 112,5.60
M 5,6[ ]
2 2 .190, 4
M M
M Nm
nω π π
= = = = . 
5.12. Thiết kế sơ đồ hệ thống thủy lực 
5.12.1. Hệ thống điều khiển tuần tự ứng dụng các van giới hạn áp suất 
1. Thiết bị khoan chi tiết. 
Hình 5.52 Mô hình công nghệ của thiết bị khoan chi tiết 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 146 
Hình 5.53 Sơ đồ hành trình bước của thiết bị khoan chi tiết 
Hình 5.54 Sơ đồ hệ thống điều khiển của thiết bị khoan chi tiết 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 147 
2. Thiết bị lắp ráp chi tiết. 
Hình 5.55 Mô hình công nghệ của thiết bị lắp ráp chi tiết 
Hình 5.56 Sơ đồ hành trình bước của thiết bị lắp ráp chi tiết 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 148 
Hình 5.57 Sơ đồ hệ thống điều khiển của thiết bị lắp ráp chi tiết 
5.12.2. Hệ thống sử dụng bộ phân phối lưu lượng 
Hình 5.58 Mô hình công nghệ sử dụng bộ phân phối lưu lượng 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 149 
Hình 5.59 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng bộ phân phối lưu lượng 
5.12.3. Hệ thống sử dụng van ổn tốc 
Hình 5.60 Mô hình công nghệ sử dụng van ổn tốc 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 150 
Hình 5.61 Sơ đồ hành trình bước của hệ thống điều khiển sử dụng van ổn tốc 
Hình 5.62 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng van ổn tốc 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ * ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KHÍ NÉN-THỦY LỰC 
Biên soạn: TS. Nguyễn Viết Ngư, Ths. Nguyễn Phúc Đáo 151 
Tài liệu tham khảo 
[1] Hệ thống bài tập thực hành trên thiết bị FESTO DIDACTIC- Khoa Điện – Điện tử, 
ĐHSPKT HY. 
[2] TS. Nguyễn Ngọc Phương – Hệ thống điều khiển khí nén - thuỷ lực – 1999. 
[3] PGS.TS Bùi Hải Triều- Truyền động khí nén-thuỷ lực-2005. 
[4] FESTO DIDACTIC – Document.