Giáo trình hệ thống điều khiển bằng khí nén

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra cháy nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường 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 bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. Giáo trình “Hệ thống điều khiển bằng khí nén” được biên soạn với nội dung gồm 3 phần: Phần I: Lý thuyết điều khiển điện khí nén Bài 1: Cơ sở lý thuyết về điện khí nén Bài 2: Máy nén khí và thiết bị xử lý‎ khí nén Bài 3: Hệ thống thiết bị phân phối khí nén và cơ cấu chấp hành Bài 4: Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén Bài 5: Cơ sở lý thuyết điều khiển điện bằng khí nén Bài 6: Các phương pháp điều khiển, thiết kế mạch điều khiển Phần II: Các bài tập ứng dụng Phần III: Cài đặt phần mềm điều khiển điện khí nén

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 1

MỤC LỤC Error! Bookmark not defined

PHẦN I: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- KHÍ NÉN 6

BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN 6

1 Lịch sử phát triển và những đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén .6

1.1 Vài nét về sự phát triển. 6

1.2 Những đặc trưng của khí nén 7

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén. 8

1.3.1 Ưu điểm: 8

1.3.2 Nhược điểm: 8

2.Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển 8

2.1 Áp suất 8

2.2 Lực 9

2.3 Công 9

2.4 Công suất 9

2.5 Độ nhớt động 9

3 Một số định luật cơ bản sử dụng trong hệ thống khí nén 10

3.1 Thành phần hóa học của khí nén 10

3.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học 10

4 Khả năng ứng dụng của khí nén. 12

4.1 Trong lĩnh vực điều khiển .12

4.2 Hệ thống truyền động 12

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN 14

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 3

1.2.2 Máy nén khí kiểu pittông 17

1.2.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt .20

1.2.4 Máy nén khí kiểu trục vít .22

1.2.5 Máy nén khí kiểu Root 24

1.2.6 Máy nén khí kiểu ly tâm 25

1.3 Hệ thống khí nén 27

2 Thiết bị xử lý khí nén 28

2.1 Yêu cầu về khí nén 28

2.2 Các phương pháp xử lý khí nén 29

2.3 Bộ lọc 32

BÀI 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÂN PHỐI KHÍ NÉN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 35

1 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén .35

1.1 Yêu cầu 35

1.2 Bình trích chứa khí nén 36

1.3 Mạng đường ống dẫn khí nén 36

2 Cơ cấu chấp hành 37

2.1 Khái niệm 38

2.2 Xy lanh 38

2.2.1 Xy lanh tác động đơn ( xylanh tác động môt chiều) 38

2.2.2 Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép) 39

2.3 Động cơ khí nén 40

2.3.1 Khái niệm chung 40

2.3.2 Động cơ bánh răng 40

2.3.3 Động cơ trục vít 41

2.3.4 Động cơ cánh gạt 41

2.3.5 Động cơ Tuốcbin 42

BÀI 4: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 43

1 Khái niệm 43

2 Các phần tử khí nén 44

2.1 Van đảo chiều 44

2.1.1 Nguyên lí hoạt động 44

2.1.2 Ký hiệu van đảo chiều 44

2.1.3 Tín hiệu tác động 46

2.1.4 Van đảo chiều có vị trí “ không” 47

2.1.5 Van đảo chiều không có vị trí “ không” 53

2.2 Van chặn 56

2.2 Van chặn 56

2.2.1 Van một chiều 56

2.2.2 Van logic OR 56

2.2.3 Van lôgic AND 57

2.2.4 Van xả khí nhanh 57

2.3 Van tiết lưu 58

2.3.1 Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi được 58

2.3.2 Van tiết lưu có tiết diện điều chỉnh được 58

2.3.3 Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay 58

2.4 Van áp suất 59

2.4.1 Van an toàn 60

2.4.2 Van tràn 60

2.4.3 Van điều chỉnh áp suất 60

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 5

2.5.2 Rơ le thời gian ngắt chậm 63

2.6 Cảm biến bằng tia 64

2.6.1 Cảm biến bằng tia rẽ nhánh 64

2.6.2 Cảm biến bằng tia phản hồi 65

2.6.3 Cảm biến bằng tia qua khe hở .66

3 Các phần tử điện, điện- khí nén 66

3.1 Các phần tử điện 66

3.1.1 Công tắc 66

3.1.2 Nút ấn 67

3.1.3 Rơle 67

3.1.4.Cảm biến 71

3.2 Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện 75

BÀI 5: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN BẰNG KHÍ NÉN 77

1 Khái niệm cơ bản 77

2 Phần tử mạch lôgic 78

2.1 Phần tử lôgic NOT (Phủ định) 78

2.2 Phần tử lôgic AND ( và ) 78

2.3 Phần tử NAND (và- không) 78

2.4 Phần tử OR (hoặc) 79

2.5 Phần tử NOR (hoặc - không) 79

3 Biểu diễn phần tử lôgic của khí nén 80

3.1 Phần tử NOT (phủ định) 80

3.2 Phần tử AND (và) 80

3.3 Phần tử NAND 81

3.4 Phần tử OR 81

3.5 Phần tử NOR 82

BÀI 6: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN, THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 83

1 Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển 83

1.1 Biểu đồ trạng thái 83

1.2 Sơ đồ chức năng 86

1.3 Lưu đồ tiến trình 90

2 Các phương pháp điều khiển .92

2.1 Điều khiển bằng tay 92

2.2 Điều khiển tùy động theo thời gian 95

2.3 Điều khiển tùy động theo hành trình 98

2.4 Điều khiển theo tầng 105

2.5 Điều khiển theo nhịp 111

3 Thiết kế điều khiển điện- khí nén 117

3.1 Nguyên tắc thiết kế: 117

3.2 Các phương pháp điều khiển 118

3.2.1 Mạch điều khiển theo nhịp 118

3.2.1 Điều khiển theo tầng: 120

PHẦN II: CÁC BÀI TẬP ỨNG DỤNG 127

PHẦN III: CÀI ĐẶT PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN 151

1 Giới thiệu chung: 151

2 Cài đặt phần mềm festo fluidsim 3.6 151

PHẦN I: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN- KHÍ NÉN

BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN

1 Lịch sử phát triển và những đặc trưng của hệ thống điều khiển khí nén

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 7

Mãi đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học và nhà triết học người Pháp Pascal, cùng nhà vật lý người Pháp Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng của khí nén

Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt ra được phát minh: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), Phanh bằng khí nén(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất lớn 7350KW Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500mm và chiều dài km Tại nơi đó khí nén được nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi…

Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… Và nhiều dụng cụ khác như đò gá kẹp chi tiết

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng 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 trong những lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp của nguồn năng lượng khí nén với điện – điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai Hãng FESTO (Đức) có những chương trình pahts triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ cho công nghiệp mà còn phục vụ cho sự phát triển các phương tiện dạy học (Didactic)

1.2 Những đặc trưng của khí nén

Về số lượng:có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn

Về vận chuyển:khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với một khoảng cách nhất định Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi

sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác

Về lưu trữ:máy nén khí không nhất thiết phải sử dụng liên tục.Khí nén có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết

Về nhiệt độ :khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ

Về phòng chống cháy nổ:không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén,nên không mất chi phí cho việc phòng cháy.Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp

Về tính vệ sinh:khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch , không một nguy cơ nào về phần vệ sinh.Tính

chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm ,vải sợi, lâm sản và thuộc da

Về cấu tạo thiết bị :đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác

Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy-lanh thường 1-2 m/s)

Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén được điều chỉnh một cách vô cấp

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

1.3.1 Ưu điểm:

- Do khả năng chịu nén( đàn hồi ) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ

và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

- Đường dẫn khí nén (thải ra) không cần thiết

- Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp, vì hầu như trong các nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn

- Hệ thống bảo vệ quá áp suất được đảm bảo

1.3.2 Nhược điểm:

- Lực truyền tải trọng thấp

- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển đổng thẳng hoặc quay đều

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

2 Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển

2.1 Áp suất

Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa)

Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1Newton (N)

1Pa = 1N/m21Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/m2Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa) 1Mpa = 1000000 Pa

Ngoài ra còn sử dụng đơn vị bar:

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 9

Ngoài ra một số nước Anh, Mỹ còn sử dụng đơn vị đo áp suất (psi) :

1bar = 15.4 psi

2.2 Lực

Đơn vị của lực là Newton (N)

1 N là lực tác động lên đối tượng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2

2.3 Công

Đơn vị của công là Joule (J)

1J là công sinh ra dưới tác dộng của lực 1N để vật có thể dịch chuyển quãng đường là 1m

1J = 1N.m

2.4 Công suất

Đơn vị của công suất là Watt (W)

1W là công suất trong thời gian 1giây sinh ra năng lượng 1J

1W = 1Nm/s

2.5 Độ nhớt động

Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị của độ nhớt động là m2/s 1m2/s là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động lực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m2

v = /  Trong đó:

: Độ nhớt động lực (Pa.s)

 : khối lượng riêng (kg/m3)

v : độ nhớt động (m2/s)

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 11

Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình nhiệt tổng quát (1-1) ta có:

Nếu gọi:

V1(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1

V2(m3) thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p2

p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1

p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2

Theo phương trình 1-2 ta có:

Hình 2: biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ thay đổi là đường cong parabol

b) Định luật 1 Gay – Lussac

Khi áp suất không thay đổi (p = hằng số),

theo phương trình 1-1 ta có:

Trong đó:

T1 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1 (K)

T2 : nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2 (K)

Hình 3 biểu diễn sự thay đổi thể tích khi áp

suất là hằng số Năng lương nén và năng lượng giãn nở không khí được tính theo phương trình:

8 4

Hình 2: Sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ không đổi

c) Định luật 2 Gay – Lussac

Khi thể tích V thay đổi, theo phương trình

(1-1) ta có:

Hình 4: biểu diễn sự thay đổi áp suất khi

thể tích là hằng số Vì thể tích V không thay đổi

nên năng lượng nén và năng lượng giãn nở bằng

4.1 Trong lĩnh vực điều khiển

Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhất là vào nhưng năm 50 và 60 của thế kỷ 20, là

thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật

điều khiển bằng khí nén phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong nhiều lĩnh vực Chỉ riêng

ở Đức đã có hơn 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bàng khí nén như

hãng Festo, hãng Herion, hãng Bosch

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy

hiểm, hay xảy ra cháy nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp chi tiết nhựa,

chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện

vệ sinh môi trường 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 bị vận chuyển và kiểm tra

của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 13

- Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp 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 oto

- Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm

* Một số ứng dụng của khí nén:

Hình e: Điều khiển rôbốt Hình c: Hệ thống lắp ráp ôtô Hình d: Hệ thống điều khiển tự động

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 15

BÀI 2: MÁY NÉN KHÍ VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN

1 Máy nén khí và hệ thống khí nén

1.1 Khái quát chung

Các nhà máy công nghiệp sử dụng khí nén trong rất nhiều hoạt động sản xuất Khí nén được tạo ra từ các máy nén khí có công suất trong khoảng từ 5 mã lực(hp) đến 50.000 mã lực Theo báo cáo của cơ quan năng lượng mỹ, năm 2003 cho thấy khoảng 70% - 90% khí nén bị tổn thất dưới dạng nhiệt, ma sát, tiếng ồn và do sử dụng không đúng Vì vậy máy nén khí và hệ thống khí nén là những khu vực quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các nhà máy công nghiệp

Cần lưu ý rằng chi phí để vận hành một hệ thống khí nén đắt hơn nhiều so với chi phí mua máy nén khí (hình 6).Tiết kiệm năng lượng nhờ cải thiện hệ thống chiếm khoảng

từ 20% đến 50% tiêu thụ điện, có thể mang lại hàng trăm nghìn USD Quản lý hệ thống khí nén hợp lý có thể giúp tiết kiệm năng lượng, giảm khối lượng bảo dưỡng, rút ngắn thời gian dừng vận hành, tăng sản lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm

Energy: năng lượng

Hình 2.1: Biểu đồ xương cá của hệ thống khí nén

1.2 Máy nén khí

Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó ăng lượng cơ học của động cưo điện hoặc của động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

1.2.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy nén khí

a) Nguyên lý hoạt động

- Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được đủa vào buồng chứa, ở đố thể tích của bường chứa sẽ nhỏ lại Theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên.Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý thể tích bao gồm: máy nén khí kiểu pittong, bánh răng, cánh gạt v.v

- Nguyên lý động năng ( máy nén dòng): không khí được đưa vào bường chứa,

ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lí này bao gồm: máy nén khí kiểu ly tâm, máy nén khí dòng hỗn hợp.v.v

b) Phân loại:

- Theo áp suất:

+ Máy nén khí áp suất thấp p < 15bar + Máy nén khí áp suất thấp p  15bar + Máy nén khí áp suất thấp p ≥300bar

- Theo nguyên lý hoạt động:

+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khi kiểu pittong, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

+ Máy nén khí theo nguyên lý động năng: máy nén khí ly tâm, máy nén theo trục

- Ta có thể phân loại máy nén khí theo hình 7:

MÁY NÉN

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 17

1.2.2 Máy nén khí kiểu pittông

Trong doanh nghiệp, các máy nén pittông được sử dụng rộng rãi cho cả nén khí

và làm lạnh Các máy nén khí này hoạt động trên nguyên lý của bơm xe đạp và được đặc trung bởi sự ổn định của lưu lượng khi áp suất đẩy thay đổi năng suất của máy tỷ

lệ thuận với tốc độ Tuy nhiên công suất của máy nén lại thay đổi

- Máy nén khí pittông là loại máy nén khí tác động đơn nếu quá trình nén chỉ sử dụng một phía của pittông Nếu máy nén sử dụng cả 2 phía của pittong là máy nén tác động kép

- Máy nén một cấp là máy nén có quá trình thực hiện bằng một xylanh đơn hoặc một số xylanh song song (hình 8)

- Rất nhiều ứng dụng yêu cầu vượt quá khả năng thực tế của một cấp nén đơn

lẻ Tỷ số nén quá cao(áp suất đẩy tuyệt đối/ áp suất hút tuyệt đối ) có thể làm nhiệt độ cửa đẩy cao quá mức hoặc gây ra các vấn đề thiết kế khác Điều này dẫn đến nhu cầu

sử dụng máy nén hai hay nhiều cấp cho yêu cầu áp suất cao với nhiệt độ khí cấp (cửa đẩy) thấp hơn (1400C – 1600C) so với máy nén một cấp (2050C – 2400C)

Trong sử dụng thực tế, các nhà máy, xí nghiệp đều dùng máy nén pittong trên

100 mã lực nhiều cấp, trong đó hai hoặc nhiều bước nén được ghép nối tiếp nhau Không khí thường được làm mát giữa các cấp đẻ giảm nhiệt đọ và thể tích khi đưa vào cấp tiếp theo

Máy nén khí pittông có sẵn ở cả dạng làm mát không khí và làm mát nước, có bôi trơn hoặc không bôi trơn, có thể bán dưới dạng tổng thành trọn gói với dải áp suất

và công suất rộng

b) Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của máy nén kiêu pittông một cấp ( hình 10)

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 19

+ Không khí được hút vào khi pittong đi xuống, van nạp mở ra, van xả đóng lại

do áp suất giảm xuống Đây gọi là pha hút

+ Ở điểm chết dưới của pittông, van nạp đóng, buồng khí đóng kín

+ Pittông đi lên, áp suất tăng, van xả mở, đây gọi là pha nén

+ Ở điểm chết trên của pittông, van xả đóng lại, van nạp mở ra chuẩn bị cho một chu trình mới

áp suất nén được 6bar, một số trường hợp áp suất nén đến 10bar

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu pittông:

- Ưu điểm: Cứng, vững, hiếu suất cao, kết cấu vận hành đơn giản

- Nhược điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn

* Một số máy nén khí kiểu pittôngđược sử dụng trong thực tế:

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu

pittong một cấp

1.2.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt

a) Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt

Máy nén khí kiểu cánh gạt bao gồm: Thân máy, mặt bích thân máy, mặt biwchs

trục, rôto lắp trên trục Trục và rôto lắp lệch têm so với bánh dẫn truyền động Khi rôto

Hình a: Máy nén pittông công nghiệp Hình b: Máy nén pittông áp suất thấp

Hình c: Máy nén pittông bơm dầu Hình c: Máy nén khí xylanh đơn

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 21

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 các cánh tựa vào nhau

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu cánh gạt

Hình 2.6: Mặt cắt của máy nén khí kiểu cánh gạt

Hình 2.7 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu cánh

gạt

- Ưu điểm: Kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung

- Nhược điểm: Hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu

* Một số máy nén khí kiểu cánh gạt được sử dụng trong thực tế:

1.2.4 Máy nén khí kiểu trục vít

a) Cấu tạo máy nén kiểu trục vít

Máy nén khí trục vít có khoảng năm 1950 và đã chiếm một thị trường lớn trong lĩnh vực nén khí, loại máy nén khí này có vỏ đặc biệt bao bọc quanh hai trục vít, một lồi, môt lõm

Hình a : Máy nén khí kiểu cánh gạt

Hình b : Máy nén khí kiểu cánh gạt

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 23

b) Nguyên lý làm việc

Khi các trục vít quay nhanh, không khí được hút vào bên trong vỏ thông qua cử nạp và đi vào buồng khí ở giữa các trục vít và ở đó không khí được nén giữa các răng khi buồng khí nhỏ lại, sau đó khí nén đi tới cửa thoát cả cửa nạp và cửa thoát sẽ được đóng hoặc mở tự động khi các trục vít quay hoặc không che các cửa Ở cửa thoát của máy nén khí có lắp một van một chiều để ngăn các trục vít tự quay khi quá trình nén

đã dừng

c) Ưu, nhược điểm của máy nén khí kiểu trục vít

- Ưu điểm: Khí nén không bị xung, sạch, tuổi thọ vít cao ( 15.000 đến 40.000 giờ), nhỏ gọn, chạy êm

- Nhược điểm: Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế

Hình 2.8 : Máy nén khí kiểu trục vít

Hình 2.9 : Nguyên lý làm việc của máy nén khí kiểu trục vít

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 25

trình quay không tiếp xúc với nhau Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe

hở giữa 2 pittông, khe hở giữa phần quay và thân máy

Máy nén kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thể tích mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau Điều đó có nghĩa là, khi rôto quay được 1 vòng, thì vẫn chưa tạo áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rô to quay tiếp đến vòng thứ 2 thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng lưu lượng ban đầu và cuối cùng mới vào buồng đẩy Với nguyên tắc hoạt động này sẽ làm cho tiếng ồn tăng lên

1.2.6 Máy nén khí kiểu ly tâm

a) Cấu tạo của máy nén khí kiểu ly tâm

Máy nén khí ly tâm sử dụng đĩa xoay hình cánh quạt hoặc bánh đẩy để ép khí vào phầm rìa của bánh đẩy làm tăng tốc độ của khí Bộ phận khuếch tán của máy sẽ chuyển đổi năng lượng của tốc độ thành áp suất Máy nén khí ly tâm thường sử dụng trong ngành công nghiệp nặng và trong môi trường làm việc liên tục Chúng thường được lắp cố định Công suất của chúng có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn mã lực Với

hệ thống làm việc gồm nhiều máy nén khí ly tâm, chúng có thể tăng áp lực đầu ra hơn

10000 lbf/in² (69 MPa)

Nhiều hệ thống làm tuyết nhân tạo sử dụng loại máy nén này Chúng có thể sử dụng động cơ đốt trong, bộ nạp hoặc động cơ tua-bin Máy nén khí ly tâm được sử dụng trong một động cơ tua-bin bằng gas nhỏ hoặc giống như là tầng nén khí cuối cùng của động cơ tua-bin gas cỡ trung bình

Hình 2.11 : Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root

Hình 2.12 : Cấu tạo máy nén khí kiểu ly tâm

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 27

1.3 Hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén bao gồm các phần: bộ lọc khí vào, thiết bị làm mát giữa các

cấp(làm mát trung gian), thiết bị làm mát sau( làm mát sau nén), thiết bị làm khô khí,

bẫy lọc ẩm, bình chứa, hệ thống đường ống, bộ lọc, thiết bị điều tiết và bôi trơn

- Bộ lọc khí vào: ngăn không cho bụi vào máy nén: bụi vào gây tắc ghẽn van, làm mòn xy lanh và các bộ phận khác

- Thiết bị làm mát giữa các cấp: Giảm nhiệt độ khí trước khi vào cấp kế tiếp để giảm tải nén và tăng hiệu suất Khí thường được làm mát bằng nước

- Thiết bị làm mát sau: Để loại bỏ hơi nước trong không khí bằng cách giảm nhiệt độ trong bộ trao đổi nhiệt dùng nước làm mát

- Bộ làm khô khí: Lượng hơi ẩm còn sót lại sau khi qua thiết bị làm mát sau được loại bỏ nhờ bộ làm khô khí, vì khí sử dụng cho các thiết bị khí nén phải gần như khô hoàn toàn Hơi ẩm bị loại bỏ nhờ sửu dụng các chất hấp thụ như sillic oxit, than hoạt tính hoặc giàn làm khô được làm lạnh hay nhiệt độ từ các bộ sấy của máy nén khí

- Bẫy lọc ẩm: các bẫy lọc ẩm được sử dụng để loại bỏ độ ẩm trong khí nén Những bẫy này tương tự như bẫy hơi Các loại bẫy được sử dụng gồm: van xả bằng tay, các van xả tự động hoặc van xả theo thời gian v.v

- Bình tích chứa:Các bình tích dùng để tích chứa khí nén và giảm các xung khi nén- giảm sự thay đổi áp suât từ máy nén

2 Thiết bị xử lý khí nén

2.1 Yêu cầu về khí nén

Khí nén được tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn

có thể ở những mức độ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm của không khí được hút vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Hơn nữa, trong quá trình nén, nhiệt độ của khí tăng lên, có thể gây nen quá trình ôxi hóa một số phần tử ttrên.Như vậy, khí nén bao gồm những chất bẩn đó được tải đi trong những ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống đãn và các phần tử của hệ thống điều khiển Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống điều khiển phải được

xử lý Tùy thuộc váo phạm vi sử dụng mà xá định yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể

Khí nén được tải từ từ máy nén khí gồm những chất bẩn thô: những hạt bụi,

Hình 2.13: Hệ thống khí nén

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 29

thống điều khiển và một số thiết bị đặc biệt thì chất lượng của khí nén phải cao hơn

Để đánh giá chất lượng của khí nén Hội đồng các xí nghiệp châu Âu phân ra làm 5 loại, trong đó tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hóa sương, lượng dầu trong khí nén cách phân loại này nhằm định hướng cho các nhà máy, xí nghiệp chọn đúng chất lượng khí nén tương ứng với thiết bị sử dụng

Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn:

- Lọc thô: Làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn bụi Sau đó được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén

- Phương pháp sấy khô: Giai đoạn này xử lý tùy theo chất lượng của khí nén

- Lọc tinh: Xứ lý khí nén trong giai đoạn này, trước khi đưa vào sử dụng Giai đoạn này rất cần thiết cho hệ thống điều khiển

2.2 Các phương pháp xử lý khí nén

a) Bình ngưng tụ- làm lạnh bằng không khí (bằng nước)

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ Tại đây áp suất khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khó sẽ được ngưng tụ và tác ra

Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trong khoảng từ 300C đến 350C Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ

100C) thì nhiệt độ trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 200C

Hấp thụ bằng chất làm lạnh

Bộ lọc Cụm bảo

dưỡng

Bộ lọc

Điều chỉnh áp suất

Bộ tra dầu

Hình 2.14: Các phương pháp xử lý khí nén

b)

Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh

Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh là: khí nén đi qua bộ

phận trao đổi nhiệt khí- khí Tại đây, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng

dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên

Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí- chất

làm lạnh Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dòng khí nén chuyển

động đảo chiều trong những ống đẫ Nhiệt độ hóa sương ở đây là 20C Như vậy lượng

hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được ngưng tụ

Dầu, nước, chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được đưa ra

ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động(4) Dòng khí nén được làm sạch và còn

lạnh sẽ được đưa đén bộ phận trao đổi nhiệt (1) để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 60C

đến 80C trước khi đưa vào sử dụng

Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất

làm lạnh (5) Sua khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình

ngưng tụ(6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió Van điều chỉnh

lưu lượng (8) và rơle nhiệt độ(7) có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh

hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt

Hình 2.15: Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 31

c) Thiết bị sấy khô bằng chất hấp thụ

Sấy khô bằng chất hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay quá trình hóa học

- Quá trình vật lý: Chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ở trong không khí ẩm Thiết bị gồm 2 bình Bình thứ nhất chứa chất sấy khô và thực hiện quá trình hút ẩm Bình thứ hai tái tạo lại khả năng hấp thụ của chất sấy khô Chất sấy khô thường được sử dụng: silicagen SiO2, nhiệt độ điểm sương -500C, tái tạo

từ 1200C đến 1800C

Quá trình hóa học: Thiết bị gồm 1 bình chứa chất hấp thụ (thường dùng là NaCl) Không khí ẩm được đưa vào cửa (1) đi qua chất hấp thụ (2) Lượng hơi nước trong không khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nưosc lắng xuống đáy bình Phần nước ngưng tụ được dẫn ra ngoài bằng van (5) Phần không khí khô sẽ theo cửa (4) vào hệ thống

Hình 2.16: Sấy khô bằng chất làm lạnh

Hình 2.17: Nguyên lý hấp thụ bằng quá trình vật lý

2.3 Bộ lọc

Trong một số lĩnh vực, ví dụ như: những dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khí nén, những thiết bị, đồ gá đơn giản hoặc hệ thống điều khiển đơn giản dùng khí nén … thì chỉ cần sử dụng một bộ lọc không khí Bộ lọc không khí là một tổ hợp gồm

3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu

a) Van lọc:

Van lọc có nhiệm vụ tách các thành phần chất bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén.Có hai nguyên lý thực hiện:

- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc

- Phần tử lọc xốp làm bằng các chất như: vải dây kim loại, giấy thấm ướt, kim loại thêu kết hay là vật liệu tổng hợp

Khí nén sẽ tạo chuyển động xoáy khi qua lá xoắn kim loại, sau đó phần tử lọc, tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn loại phần tử lọc có những loại từ

Hình 2.18: Nguyên lý hấp thụ bằng phản ứng hóa học

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 33

b) Van điều chỉnh áp suất

Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi có

sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc phía đầu ra hoặc sự dao động của áp suất đường vào Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất: khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác dụng lên màng , vị trí của kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài Đến khi áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về vị trí ban đầu

c) Van

tra dầu

Để giảm lực ma sát, sự ăn mòn và rỉ sét của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén, trong thiết bị van lọc có thêm van tra dầu Nguyên tắc tra dầu được thục hiện theo nguyên lý Ventury

Hình 2.20: Phần tử lọc

Hình 2.21: Van điều chỉnh áp suất và ký hiệu

Điều kiện để dầu có thể qua ống Ventury là độ sụt áp p phải lớn hơn áp suất cột dầu H

Hình 2.22: Nguyên lý Ventury

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 35

BÀI 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHÂN PHỐI KHÍ NÉN VÀ CƠ CẤU

Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, cần phân biệt mạng đường ống được lắp ráp cố định (như trong các nhà máy) và mạng đường ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy(như hình vẽ)

Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo cho áp suất p, lưu lượng Q và chất lượng của khí nén cho nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị, máy mác Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lý máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ thống ống dẫn (ví dụ: đường kính ống dẫn, vật liệu ống dẫn), cách lắp đặ hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đống vai trò quan trọng về phương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển bằng khí nén Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén (từ bình trích chứa cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là thiết bị máy móc) không vượt qua 1.0bar cụ thể như sau:

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính 0.1bar

- Tổn thất áp suất trong ống nối 0.1bar

Máy nén khí

Bình trích

chứa chính

Bình trích chứa trung gian

Bình ngưng tụ hơi nước Van xả nước

- Tổn thất áp suất trong thiết bị xử lý, bình ngưng tụ 0.2bar

- tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh 0.6bar

Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp trong không gian thoáng để thực hiện được nhiệm vụ như ngưng tụ và tách nước trong khí nén

a Loại bình trích chứa thẳng đứng

b Loại bình trích chứa nằm ngang

c Loại bình trích chứa nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí

1.3 Mạng đường ống dẫn khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân chia làm 2 loại:

+ Mạng đường ống được lắp ráp cố định(trong nhà máy, xí nghiệp)

+ mạng đường ống được lắp ráp di động(ví dụ như đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị)

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 37

- Tổn thất áp suất: trong các đường ống dẫn chính là 0.1bar Tuy nhiên trong thực tế sai số cho phép tính đến bằng 5% áp suất yêu cầu Nếu trong ống dẫn chính có lắp thêm các phụ tùng ống nối, các van thì tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn tăng lên

Khi lắp ráp hệ thống ống dẫn khí nén thường nghiêng góc từ 1% - 2% so với mặt phẳng nằn ngang (hình 3.1) Vị trí thấp nhất của hệ thống ống dẫn so với mặt phẳng nằm ngang, lắp ráp bình ngưng tụ nước, để nước trong ống chứa đụng ở đó b) Mạng đường ống lắp ráp di động:

Mạng đường ống lắp ráp di động đa dạng hơn mạng đường ống lắp ráp cố định Ngoài những đường ống bằng kim loại có thành ống mỏng như ống dẫn bằng đồng, người ta còn sử dụng thêm các loại ống dẫn bằng nhựa, vật liệu tổng hợp, các đường ống dẫn bằng cao su Đường kính ống dẫn được lựa chọn phải tương ứng với đường kính mối nối của phần tử điều khiển

Ngoài những mối lắp ghép bằng ren, mạng đường ống di động còn sử dụng các mối nối cắm với các đầu kẹp

Tùy theo áp suất của khí nén cho từng loại máy mà chọn những loại ống dẫn có nhứng tiêu chuẩn khác nhau

* Hệ thống đường ống: Có tác dụng truyên dẫn khí, tạo ra sự liên kết giữa các bộ phận trong hệ thống khí nén

* Hệ thống đường ống dẫn khí trong một số nhà máy

Giáo trình điều khiển điện- khí nén 39

b) Ký hiệu

2.2.2 Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép)

a) Nguyên lý làm việc

Nguyên tắc hoạt động của xylanh tác động kép là áp suất khí nén được dẫn vào

cả 2 phía của xylanh

b) Ký hiệu

- Xylanh tác động 2 chiều không có giảm chấn

- Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn: Nhiệm vụ của cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của pittong vào thành của xylanh ở vị trí cuối hành trình Người

ta dùng van tiết lưu một chiều để thực hiện giảm chấn

Hình 3.4: Ký hiệu xy lanh tác động một chiều Chiều tác động ngược lại do ngoại lực Chiều tác động ngược lại do lực lò xo

Hình 3.5: Xylanh tác động 2 chiều không có giảm chấn

Hình 3.6: Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn điều chỉnh

Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn không điều chỉnh được

2.3 Động cơ khí nén

2.3.1 Khái niệm chung

Động cơ khí nén là cơ cấu chấp hành, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng, động năng của khí nén thành năng lượng cơ học- chuyển động quay

Động cơ khí nén có những ưu điểm:

- Điều chỉnh đơn giản mômen quay và số vòng quay

- Đạt được số vòng quay cao và điều chỉnh vô cấp

- Không xảy ra hư hỏng, khi có tải trọng quá tải

- Giá thành bảo dưỡng thấp Tuy nhiên, động cơ khí nén cũng có nhược điểm:

- Giá thành cao (khoảng 10 lần so với động cơ điện)

- Số vòng quay phụ thuộc vào tải trọng

- Xảy ra tiếng ồn lớn khi xả khí

2.3.2 Động cơ bánh răng

Động cơ bánh răng được chia làm 3 loại: Động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh răng nghiêng, và động cơ bánh răng chữ V Động cơ bánh răng thường có công suất đến 59KW với áp duất làm việc 6bar và mô men quay đạt đến 540Nm

- Động cơ bánh răng thẳng: Mômen quay được tạo ra bởi áp suất khí nén lên mặt bên răng Ống thải khí được thiết kế dài có nhiệm vụ giảm tiếng ồn

- Động cơ bánh răng nghiêng: nguyên lý hoạt động như bánh răng thẳng, điểm chú ý là ổ lăn phải chọn để khử được lực hướng trục và lực dọc trục

- Động cơ bánh răng chữ V: có ưu điểm là giảm được tiêng ồn

Hình 3.7: Ký hiệu động cơ khí nén Động cơ quay một chiều Động cơ quay hai chiều