Chương 7 - Cơ sở truyền động khí nén

Chương 7 - Cơ sở truyền động khí nén (Phần 7 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viên tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 7 - Cơ sở truyền động khí nén 7.1 Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của hê thống truyền động khí nén

7.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của hệ thống truyền động khí nén

Khí nén đã được sử dụng từ trước Công nguyên Như nhà triết học người Hi Lạp Ktesibios (năm

140, trước Công nguyên) và học trò của ông là Heron (năm 100, trước Công nguyên) đã chế tạo

ra thiết bị bắn tên, ném đá, sau đó là thiết bị đóng, mở cửa Từ “Pneumatic” xuất phát từ tiếng

cổ Hy Lạp có nghĩa là “gió”, thuật ngữ “Pneuma” để chỉ một ngành khoa học về khí động học Tuy nhiên, sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, việc kết hợp giữa cơ học, vật lý và vật liệu còn thiếu nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế Mãi cho đến thế

kỷ XVII, nhà kĩ sư người Đức Otto von Guerike (1602 – 1686), nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal (1623 – 1662), cũng như nhà vật lý người Pháp Denis Papin (1647 – 1712) đã xây dựng lý thuyết cơ bản làm nền tảng cho ứng dụng của khí nén Trong thế kỷ XIX, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh, như vận chuyển thư trong ống (1835) của Josef Ritter (Austria), phanh (1880), búa tán đinh (1861) Trong quá trình xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén để khoan Vào những năm 70 của thế kỷ XIX ở Paris thành lập một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén lớn, với công suất 7350 kW Khi năng lượng điện phát triển mạnh, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén kiểu như vậy bị giảm dần Tuy nhiên, năng lượng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở nhiều lĩnh vực, ví dụ như ở những nơi sử dụng năng lượng điện nguy hiểm, sử dụng cho những dụng cụ nhỏ, cơ cấu cần truyền động với vận tốc lớn hay trong các thiết bị như máy búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh, đồ gá kẹp chặt trong các máy v.v…

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhờ sự kết hợp khí nén với điện – điện từ mà ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau

7.1.2 Khả năng ứng dụng của hệ thống truyền động bằng khí nén

a) Trong lĩnh vực điều khiển

Thập niên 50 và 60 của thế kỷ XX là thời gian phát triển mạnh mẽ của tự động hóa quá trình sản xuất, kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các lĩnh vực như: các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp chi tiết hoặc sử dụng trong lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện

vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao

Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất v.v…

b) Trong hệ thống truyền động

- Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng (xây dựng hầm mỏ, đường hầm,…)

- Truyền động thẳng: thực hiện chuyển động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô

- Truyền động quay: truyền động xilanh xoay, động cơ khí nén

- Hệ các hệ thống đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

- v.v…

7.2 Ưu và nhược điểm của truyền động bằng khí nén

7.2.1 Ưu điểm

- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suát trên đường dẫn nhỏ

- Do khả năng chịu nén (đàn hồi) của không khí lớn nên có thể tích chứa khí nén rất thuận lợi Vì vậy, có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm tích chứa khí nén

- Không khí dùng để nén có khối lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển

- Hệ thống khí nén sạch, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống dẫn do đó không bị ô nhiễm

- Chi phí cho hệ thống truyền động bằng khí nén thấp Hiện nay, hầu hết các xí nghiệp, nhà máy

đã có sẵn hệ thống cấp khí nén

- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đảm bảo nên tính nguy hiểm quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp

- Các phần tử trong hệ thống khí nén có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ

- Các van khí nén phù hợp với các chức năng điều khiển logic, do đó phù hợp cho sử dụng để điều khiển quá trình phức tạp và với mức độ phối hợp cơ cấu cao

7.2.2 Nhược điểm

- Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp

- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn (nên khó thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều)

- Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn

7.3 Đơn vị do các đại lượng cơ bản

7.3.1 Áp suất

Đơn vị đo cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là pascal

1 pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1N

1 Pa=1 N /m2

1 Pa=1 kgm/ s2

/m2

=1 kg/m s2

1 Pa=10−6mPa

Ngoài ra ta còn dùng đơn vị là bar

1¯¿105Pa

7.3.2 Lực

Đơn vị của lực là Newton (N) 1 N là lực tác dụng đối trọng có khối lượng 1 kg với gia tốc 1m/s2

1 N =1 kg m/ s2

7.3.3 Công

Đơn vị của công là Joule (J) 1 Joule là công sinh ra dưới tác động của lực 1 N để vật dịch chuyển được quãng đường 1 m

1 J =1 Nm

7.3.4 Công suất

Đơn vị của công suất là Watt 1 Watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule

1W =1 Nm/ s ;

1W=1m

s .

kg m

s2

7.3.5 Độ nhớt động

Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển bằng khí nén

Đơn vị của độ nhớt động là m2

/s 1m2

/s là độ nhớt động của một chất lỏng có độ nhớt động lực

1 Pa.s và có khối lượng riêng 1 kg/m3

ν=η

ρ

Trong đó:

η : độ nhớt động lực, [Pa.s];

ρ : khối lượng riêng, [kg /m3];

ν : độ nhớt động, [m2/s]

Ngoài ra, người ta còn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động là Stokes (St) hoặc là centistokes (cSt)

Sự phụ thuộc áp suất, nhiệt độ và độ nhớt động của không khí thể hiện ở hình 7.1.

7.4 Nguyên lý truyền động

Hình 7.2 là sơ đồ nguyên lý của một mạch điều khiển khí nén cơ bản, trên đó phân loại các phần

tử chấp hành, phần tử điều khiển, phần tử xử lý tín hiệu và phần tử truyền tín hiệu

7.5 Cơ sở tính toán

7.5.1 Các đại lượng vật lý

Bảng 7.1 Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí

riêng

Pa=760

thanh

334

Ở nhiệt độ 20℃

riêng

c p

c v

1,004 0,717

kJ /kg K Áp suất hằng số

Thể tích hằng số

nhiệt

động học

động

ν 13 ,26.10−6 m2/s Ở trạng thái tiêu chuẩn 7.5.2 Phương trình trạng nhiệt động học

Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng, ta có phương trình tổng quát là:

Trong đó:

p| ¿ | ¿ : áp suất tuyệt đối, ¿;

V : thể tích của khí nén, [m3];

m : khối lượng, [kg];

R : hằng số khí, [J /kg K ];

T : nhiệt độ Kelvin, [ K ]

Từ (7-1) ta có viết: p| ¿ |.V

Hay: p1|¿|.V1

T1 =p2| ¿ |.V2

Khối lượng không khí m được tính theo công thức sau:

- Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có:

ρ1

m

ρ2

= p2 | ¿ |

Hay: ρ2=ρ1 p2 | ¿ |

Khi áp suất p không thay đổi, ta có:

ρ2=ρ1 T1

- Khi cả ba đại lượng trên đều thay đổi, ta có:

ρ2=ρ1.T1 p2 | ¿ |

- Thể tích riêng của không khí:

v=V

Từ các phương trình trên, ta biến đổi và rút ra phương trình trạng thái của khí nén:

p| ¿ |.V

Nhiệt dung riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng không khí 1kg lên 1° K

Nhiệt lượng riêng khi thể tích không thay đổi ký hiệu là c v , khi áp suất không thay đổi ký hiệu c p

và tỷ số của c v và c p gọi là số mũ đoạn nhiệt k:

k=c p

Hiệu số của c v và c p gọi là hằng số khí R:

R =c p −c v =c p k−1

Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở không có nhiệt được đưa vào hay lấy đi và có phương trình sau:

p1 v1k = p2 v2k =hằng số

Hay: p1

p2=(v2

v1)k

=(T1

T2) k

Diện tích mặt phẳng 1,2,5,6 trên hình 7.3 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1kg

và có giá trị:

W=p1 v1

k−1 [1−(v1

v2)k−1

W=p1 v1

k−1 [1−(p1

p2)k−1

W=p1 v1

k−1 (1−T2

T1)

Công kỹ thuật W t là công cần thiết để nén lượng không khí (như máy nén khí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở Diện tích mặt phẳng 1,2,3,4 ở trên hình 7.3 là công thực hiện để nén hay công thực hiện khi áp suất khí giãn nở cho 1kg không khí và có giá trị:

W = k−1k p1 v1[1−(v1

v2)k−1

W= k

k−1p1 v1[1−(p1

p2)k−1

Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình sau:

p1 v1n = p2v2n =hằng số

Hay: p1

p2=(v2

v1)n

=(T1

T2) n

Quá trình đẳng nhiệt: n=1

Quá trình đẳng áp: n=0

Quá trình đoạn nhiệt: n=k

Quá trình đẳng tích: n=∞

7.5.3 Phương trình dòng chảy

a) Phương trình dòng chảy liên tục

Lưu lượng khí nén chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi (hình 7.4), ta có phương trình dòng chảy như sau:

Q v 1 =Q v 2

Hay: v1 A1=v2 A2=hằng số (7-16)

Trong đó:

Q v 1 ,Q v 2 : lưu lượng dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, [m3/s];

v1, v2 : vận tốc dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, [m/s];

A1, A2 : tiết diện chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, [m2]

b) Phương trình Becnully

Phương trình Becnully được viết như sau:

m v1

2

2 +m g h1+m p1

ρ =m v2

2

2 +m g h2+m p2

Trong đó:

m v

2

2 : động năng;

m g h : thế năng;

m p

ρ : áp năng (¿V p);

g : khối lượng riêng của không khí;

p : áp suất tĩnh

Phương trình (7-17) có thể viết lại như sau:

ρ g h + p+v2 ρ

c) Lưu lượng khí nén qua khe hẹp

Lưu lượng khối khí q m qua khe hở được tính như sau:

q m =α ε A √2 ρ ∆ p[kg /s] (7-19)

Hay: q m =α ε A √2 ∆ p

ρ [m3

Trong đó:

α : hệ số lưu lượng;

ε : hệ số giãn nở;

A : diện tích mặt cắt của khe hở, [m2];

∆ p = p1− p2 : độ chênh áp suất trước và sau khe hở;

ρ : khối lượng riêng của không khí

Hệ số lưu lượng α phụ thuộc vào dạng hình học của khe hở và hệ số vận tốc Trên hình 7.5 biểu diễn mối quan hệ của hệ số lưu lượng α và tỷ số m= d

2

D2

Trên hình 7.6 biểu diễn mối quan hệ của hệ số giãn nở ε, tỷ số áp suất sau và trước khe hở

p2/ p1 và tỷ số m =d2

/ D2 của vòi phun

7.5.4 Tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động bằng khí nén

Để tính toán chính xác tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động bằng khí nén là vấn đề rất phức tạp Tổn thất áp suất của hệ thống bao gồm: tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng, tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi và tổn thất áp suất trong các loại van

a) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (∆ p R)

∆ p R =λ l ρ v2

Trong đó:

l : chiều dài ống dẫn, [m];

ρ =ρ n p| ¿ |

p n¿ : khối lượng riêng của không khí, [kg /m3];

ρ n=1,293[kg /m3] : khối lượng riêng của không khí ở trạng thái tiêu chuẩn;

ρ n=1,013¯¿ : áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn;

v=q v

A : vận tốc của dòng chảy, [m/s];

d : đường kính ống dẫn, [m];

λ=64ℜ : hệ số ma sát ống, có giá trị cho ống trơn và dòng chảy tầng ( ℜ<2230);

ℜ=v d

ν : hệ số Reynold;

v n =13 ,28.10−6m2/s : độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn.

b) Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi

Trong hệ thống ống dẫn, ngoài ống dẫn thẳng còn có ống dẫn có tiết diện thay đổi, dòng khí phân nhánh hoặc hợp thành, hướng dòng thay đổi,… Tổn thất áp suất trong những tiết diện đó được tính như sau:

Δ p E =ζ ρ v2

Trong đó: ζ là hệ số cản, phụ thuộc vào loại tiết diện ống dẫn, số Re

- Khi tiết diện thay đổi đột ngột:

Tổn thất áp suất: Δ p E 1=(1−A1

A2)2

ρ v1

2

Hoặc: Δ p E 1=(A2

A1−1)2

ρ v2

2

Trong đó: v1 và v2 vận tốc chảy trung bình ở tiết diện A1 và A2

- Khi ống dẫn gãy khúc:

Hệ số ζ phụ thuộc vào độ nhẵn và độ bám của thành ống, tra theo bảng 7.2

Bảng 7.2 Hệ số ζ

- Trong hệ thống có các đường ống bị uốn cong:

Tổn thất áp suất:

∆ p E 3 =ζ ges ρ v

2

Trong đó:

ζ ges =ζ u ζℜ

ζ u : hệ số cản do độ cong;

ζℜ : hệ số cản do ảnh hưởng của Reynold

Hệ số cản ζ u phụ thuộc vào góc uôn cong φ, tỷ số R/d và chất lượng bề mặt ống

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi phân dòng:

∆ p Ea =ζ a ρ v z

2

Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng:

Δ p Ed =ζ d ρ v z

2

Trong đó: v z là vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ζ a và ζ d của ống dẫn khi phân dòng thuộc vào tỷ lệ d ia /d iz và tỷ lệ lưu lượng q ma /q mz

(bảng 7.3)

Bảng 7.3

Tỷ lệ lưu

lượng

q ma /q mz

Ống rẽ nhánh và hệ số cản ζ a

Tỷ số d ia /d iz

Tỷ lệ lưu

lượng

q ma /q mz

Ống dẫn thẳng và hệ số cản ζ d

Tỷ số d ia /d iz

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn hợp dòng q ma:

∆ p Ea =ζ a ρ v z

2

∆ p E d =ζ d ρ v z

2

Trong đó: v z là vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ζ a và ζ d của ống dẫn khi hợp dòng thuộc vào tỷ lệ d ia /d iz và tỷ lệ lưu lượng q ma /q mz

(bảng 7.4)

Bảng 7.3

Tỷ lệ lưu

lượng

q ma /q mz

Ống rẽ nhánh và hệ số cản ζ a

Tỷ số d ia /d iz

Tỷ lệ lưu

lượng

q ma /q mz

Ống dẫn thẳng và hệ số cản ζ d

Tỷ số d ia /d iz

c) Tổn thất áp suất trong các loại van (∆ p V) (trong các van đảo chiều, van áp suất, van tiết lưu v.v…) được tính theo:

∆ p EV =ζ V ρ v

2

Trong công nghiệp sản xuất các phần tử khí nén, hệ số cản ζ V là đại lượng đặc trưng cho các

van Thay vì hệ số cản ζ một số nhà sản xuất khác sử dụng một đại lượng là hệ số lưu lượng k V

là đại lượng được xác định bằng thực nghiệm Hệ số lưu lượng k V là lưu lượng chảy của nước

[m3/h] qua van ở nhiệt độ T =278−303[ K ], với áp suất ban đầu là: p1=6 ¯¿, tổn thất áp suất

∆ p0=0,981¯¿ và có giá trị, tính theo công thức:

k V= q v

31 ,6 .√ ρ

Trong đó:

q v : lưu lượng khí nén, [m3/h];

ρ : khối lượng riêng không khí, [kg /m3];

∆ p : tổn thất áp suất qua van, [bar]

Hệ số cản ζ V được tính theo công thức:

ζ V=2 g 10 ,18

v2 (q v

k v)2

(7-33)

Vận tốc dòng chảy là: v= q v

A và thay vào (7-33), ta có:

ζ V=

2 g 10 ,18 q2v

( A

106)2

q2v( k v

Trong đó: A= π d42 là tiết diện chảy, [mm2]

Thay A= π d42 vào (7-34), ta có hệ số can của van:

ζ V= 1

626 ,3(d2

Như vậy, nếu van có thông số đặc trưng k v, đường kính ống d thì ta xác định được hệ số cản qua van ζ V