Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vịtrí quan trọng trong một số lĩnh vực.
KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT VÀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN
KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ NÉN
Bên cạnh các chất lỏng thủy lực như nước và dầu, khí nén cũng là một trong những môi chất mang năng lượng và tín hiệu quan trọng nhất trong kỹ thuật thủy khí
Trong các hệ thống truyền động khí nén môi chất là không khí nén - một chất “lỏng” chịu nén Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường Ứng dụng khí nén đã có từ trước Công nguyên Năm 140 trước Công nguyên, nhà triết học người Hylạp Ktesibiosvà học trò của ông đã chế tạo ra thiết bị bắn tên hay ném đá sử dụng năng lượng khí nén Đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike (1602 -
1686), nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal (1623 -1662), cũng như nhà vậy lý người Pháp Denis Papin(1647 -1712) đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén
Trong thế kỷ 19 các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh, như thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), phanh bằng khí nén (1880)…
Sau chiến tranh Thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ, với nhiều dụng cụ, thiết bị phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau
Tuy nhiên lịch sử phát triển của kỹ thuật khí nén cũng có những bước thăng trầm Một mặt do trình độ kỹ thuật công nghệ các thời kỳ trước chưa tương xứng, mặt khác còn có sự cạnh tranh gay gắt của các hệ thống truyền năng lượng khác như động cơ nhiệt, truyền động điện… mà mãi đến những năm gần đây kỹ thuật khí nén mới lại có được vai trò xứng đáng của nó trongsản xuất Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí nén bắt đầu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa của các quá trình sản xuất, nhất là khi có sự tham gia của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật tính hiện đại Ngày nay khí nén đã tham gia vào hầu hết các lĩnh vực sản xuất như chế tạo máy, xây dựng, kỹ thuật xe hơi, kỹ thuật y học, kỹ thuật rô bot, khai khoáng…
Là hệ thống truyền động lấy không khí từ môi trường ngoài, nén lại truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường
Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén,
6 nguồn khí này phải được sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với một áp suất nhất định thích hợp cho năng lượng hệ thống a Máy nén khí
Máy nén khí là máy có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định và tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn b Các loại máy nén khí công suất nhỏ thường sử dụng
Máy nén khí được phân loại theo áp suất hoặc theo nguyên lý hoạt động Đối với nguyên lý hoạt động ta có:
- Máy nén theo nguyên lý thể tích: máy nén pít tông, máy nén khí kiểu trục vít, máy nén cánh gạt
- Máy nén tuốc bin là được dùng cho công suất rất lớn và không kinh tế khi sử dụng lưu lượng dưới mức 600 m 3 /phút Vì thế nó không mang lại áp suất cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng
Máy nén pít tông (hình 1.1) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất đến 500 m 3 /phút Máy nén 1 pít tông có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ có thể đến 10 bar; máy nén kiểu pít tông hai cấp có thể nén đến 15 bar; 3-4 cấp lên đến 250 bar
Hình 1.1 Máy nén khí kiểu piston
* Máy nén khí kiểu trục vít
Máy nén trục vít làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích Thể tích không gian giữa hai răng kề nhau và vỏ sẽ thay đổi khi trục trục vít quay Do các rô to được chế tạo ở dạng trục vít nên điểm nén sẽ dịch chuyển từ cửa nạp đến cửa đẩy
Phần chính của máy nén trục vít gồm 2 roto: roto chính 2 và rô to phụ 1, (hình 1.3)
Số đầu mối ren trên rô to xác định thể tích làm việc của máy, có nghĩa là thể tích không khí cuốn vào trong một vòng quay Số đầu mối ren càng lớn thể tích làm việc càng nhỏ
Số đầu mối ren của hai rô to khác nhau sẽ cho hiệu suất cao hơn
Hình 1.2 C ấ u t ạ o máy nén khí ki ể u tr ụ c vít
Hình 1.3 Quá trình hút, nén và đẩ y c ủ a máy nén tr ụ c vít
* Máy nén kiểu cánh quạt (Rotary compressors)
Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt mô tả ở hình 1.2: không khí sẽ được vào buồng hút Nhờ rôto và stato đặt lệch tâm, nên khi rôto quay chiều sang phải, thì không khí vào buồng nén Sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy
Hình 1.4 Máy nén khí ki ể u cánh g ạ t
1.1.3 Phân phối khí nén a Phân phối khí nén
Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khí nén cho các thiết bị làm việc, ví dụ như van, động cơ khí, xy lanh khí…
Hình 1.5 H ệ th ố ng, thi ế t b ị phân ph ố i khí nén
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
Biến thế năng của khí nén ở dạng áp suất (P) và lưu lượng (Q), thành cơ năng ở dạng chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay
Khí nén được tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng rất nhiều chất bẩn theo từng mức độ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, hơi nước trong không khí, những phần tử nhỏ, cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí
Khí nén khi mang chất bẩn tải đi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ sét trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển Vì vậy,khí nén được sử dụng trong hệ thống khí nén phải được xử lý Tùy thuộc vàophạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể
Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn :
- Lọc thô: dùng bộ phận lọc bụi thô kết hợp với bình ngưng tụ để tách hơi nước
- Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí nén để lọai bỏ hầu hết lượng nước lẫn bên trong Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng của khí nén
- Lọc tinh: lọai bỏ tất cả các lọai tạp chất, kể cả kích thước rất nhỏ
1.2.2 Về kỹ thuật Đảm bảo các thông số đầu ra đạt tiêu chuẩn
- Đối với chuyển động tịnh tiến phải đảm bảo tiêu chuẩn về lực (F); hành trình dịch chuyển piston(S); Tốc độ dịch chuyển piston (V)
- Đối với chuyển động quay đảm bảo tiêu chuẩn về mô men xoắn(Mx); tốc độ của rotor (n)
Ngoài ra còn đảm bảo yêu cầu làm việc êm dịu(tốc độ đều và ít tiếng ồn)
1.3 Phân loại Đối với hệ thống truyền động bằng khí nén thông thường phân loại theo phương pháp điều khiển Bao gồm các phương pháp sau
- Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp
- Điều khiển theo thời gian
- Điều khiển theo hành trình
2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
2.1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền động
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và các phần tử
- Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử
- Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay, ), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên
- Xilanh đi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-)
- Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí "0" và vị trí "1" (hoặc "a", "b')
- Một số ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái:
Thế năng của khí nén
Thế năng của khí nén
2.2.2 Điều khiển theo thời gian
- Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động
2.2.3 Điều khiển theo hành trình
3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ
Hiện nay máy nén khí là các sản phẩm kỹ thuật đồng bộ và hiện đại, có các chức năng kiểm tra, điều chỉnh và điều khiển thông minh Máy nén khí có thể được sử dụng ở dạng tĩnh tại hoặc di động Áp suất được tạo ra từ máy nén, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng
3.1 Máy nén khí loại rô to
- Có hai loại máy nén khí kiểu roto thường được sử dụng:
+ Máy nén khí kiểu cánh quay + Máy nén khí kiểu trục vít
3.1.1 Máy nén khí kiểu cánh quay
Máy nén cánh quay là một máy thủy tĩnh có tỷ số nén xác định theo cấu trúc Nhờ bố trí rô to lệch tâm mà thể tích giới hạn bởi cánh quay và stator được nén lại khi quay rô to Kết cấu nhỏ gọn và chuyển động liên tục của rô to cho phép tần số quay cực đại đạt đến 3000vM/ph a Cấu tạo
Hình 2.2 C ấ u t ạ o máy nén ki ể u roto m ộ t c ấ p 1- Thân máy; 2- Nắp máy; 3- Mặt bích đầu trục; 4- Rô to; 5- Cánh quay
Trên hình 2.2 giới thiệu cấu tạo máy nén khí cánh quay một cấp, bao gồm: thân máy 1; nắp máy 2; mặt bích đầu trục 3; stator 4; rô to 5 và cánh quay 6 Khi rô to quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh quay văng ra
38 theo các rãnh trên rô to tựa đầu mút ngoài vào stator Quá trình hút và nén được thực hiện theo sự thay đổi thể tích giới hạn giữa các cánh quay và mặt tựa stator b Nguyên lý hoạt động
Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 2.3) bao gồm: thân máy
(1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ởtrên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động Thể tíchgiới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi Như vậy quá trình hút và nén đượcthực hiện Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát
Bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào
Hình 2.3 C ấ u t ạ o máy nén khí ki ể u cánh g ạ t
3.1.2 Máy nén khí kiểu trục vít
Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy
Máy nén khí kiểu trục vít gồm có hai trục: trục chính và trục phụ Số răng (số đầu mối) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén) Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm Số răng (số đầu mối) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn
Hình 2.4 Nguyên lý h ọ at độ ng máy nén khí ki ể u tr ụ c vít
* Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 đến 40.000 giờ); nhỏ gọn, chạy êm
* Khuyếtđiểm : Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn 3.2 Tuốc bin khí
Hình 2.6 Tuốc bin nén khí lắp trên động cơ ôtô
Là loạiđộng cơ nhiệt, dạngrotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí (tiếng Anh: compressor) dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối tuốc bin khí rotor Khối máy nén và khối tuốc bin có trục được nối với nhau để tuốc bin làm quay máy nén Khí nén đưa vào buồng đốt, trộn với khí nhiên liệu và đốt, không khí nén nhận được nhiệt từ khí đốt và giãn nở -> không khí giãn nở sẽ làm quay các turbine
3.3 Nhận dạng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén
3.3.1 Nhận dạng cấu tạo của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén
* Các chi tiết bộ phận chính trong hệ thống truyền động bằng khí nén
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén a Điều khiển bằng tay
Biểu đồ trạng thái b Điều khiển theo thời gian
Biểu đồ trạng thái Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động
43 c Điều khiển theo hành trình
