GIÁO TRÌNH THỦY LỰC KHÍ NÉN

Bên cạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật ñiện tử, kỹ thuật tự ñộng hóa..thì ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vị trí quan trọng trong một số lĩn

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

GIÁO TRÌNH

Môn học: Công nghệ khí nén - thuỷ

lực ứng dụng

LỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm gần ñây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ñã giúp cho có sự thay ñổi vượt bậc trong cuộc sống của con người Bên cạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật ñiện tử, kỹ thuật tự ñộng hóa thì ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vị trí quan trọng trong một số lĩnh vực của cuộc sống, ñặc biệt trong ngành chế tạo máy và kỹ thuật ôtô, các máy công trình thì truyền ñộng thủy lực khí nén ñang có một vai trò ñáng kể do có mật ñộ công suất cao, kết cấu ñơn giản, ñộ tin cậy cao và ñặc biệt là việc bố trí các phần tử tự do và linh ñộng theo không gian và van ñiều khiển, có chi phí công suất nhỏ là những ưu ñiểm nổi bật của công nghệ truyền ñộng khí nén thủy lực Với những ưu ñiểm như vậy, nên ở nước ta hiện nay ñã có rất nhiều máy móc sử dụng truyền ñồng thủy lực khí nén tuy nhiên số lượng những thợ giỏi về lĩnh vực này lại khá khiêm tốn Nhằm giúp cho sinh viên có thể nắm ñược một số kiến thức cơ bản về truyền ñộng thủy lực khí nén, tiếp cận dần với công việc sửa chữa các thiết bị có liên quan trong thực tế

Nội dung của giáo trình biên soạn ñược dựa trên sự kế thừa nhiều tài liệu của các trường ñại học và cao ñẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng ñào tạo cho sinh viên các trường dạy nghề trong cả nước Để giúp cho người học có thể nắm ñược những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khí nén, nhóm biên soạn ñã sắp xếp môn học theo từng chương theo thứ tự:

Chương 1: Khái niệm và các quy luật về truyền ñộng bằng khí nén

Chương 2: Hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

Chương 3: Khái niệm và các quy luật về truyền ñộng bằng thủy lực

Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền ñộng bằng thủy lực

Kiến thức trong giáo trình ñược biên soạn theo chương trình Tổng cục Dạy nghề, sắp xếp logic và cô ñọng Do ñó người ñọc có thể hiểu một cách

dễ dàng các nội dung trong chương trình

Mặc dù ñã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận ñược ý kiến ñóng góp của người ñọc ñể lần xuất bản sau giáo trình ñược hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2012

Nhóm biên soạn

Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền ñộng bằng thủy lực 66

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHÍ NÉN - THỦY LỰC ỨNG DỤNG

Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc

Mục tiêu của môn học:

+ Trình bày ñược ñầy ñủ các khái niệm, yêu cầu và các ñịnh luật truyền dẫn năng lượng của hệ thống truyền ñộng khí nén và thủy lực

+ Giải thích ñầy ñủ cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống truyền ñộng bằng khí nén và thủy lực

+ Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của các thiết bị truyền ñộng bằng khí nén và thủy lực

+ Tuân thủ ñúng quy ñịnh, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén

+ Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, tỉ mỉ

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT

- Giải thích ñược các quy luật truyền dẫn của khí nén

- Phát biểu ñúng yêu cầu, nhiệm vụ và phân loại hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

- Giải thích ñược sơ ñồ cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

- Nhận dạng ñược cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của các thiết bị truyền ñộng bằng khí nén

- Tuân thủ ñúng quy ñịnh, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén

1.1 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 ñộng 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 ñộng các ñộng cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

Khí nén ñã ñược ứng dụng từ rất lâu, cách ñây trên 2000 năm, người ta

ñã biết tạo ra khí nén, lưu trữ khí nén và sử dụng làm môi chất mang năng lượng Vào quãng thế kỷ thứ 3 và thứ nhất trước công nguyên ở Alexandrie các nhà cơ khí Ktesibios và Heron ñã

phát minh ra các thiết bị máy móc hoạt ñộng bằng khí nén

Tuy nhiên lịch sử phát triển của kỹ thuật khí nén cũng có những bước thăng trầm Một mặt do trình ñộ 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 ñộng cơ nhiệt, truyền ñộng ñiện… mà mãi ñến những năm gần ñây kỹ thuật khí nén mới lại có ñược vai trò xứng ñáng của nó trong sản xuất Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí nén bắt ñầu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật ñiều khiển và tự ñộng hóa của các quá trình sản xuất, nhất là khi có sự tham gia của kỹ thuật ñiện tử và kỹ thuật tính hiện ñại Ngày nay khí nén ñã 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…

1.1.1 Khái niệm

1.1.1.1 Khái niệm

Là hệ thống truyền ñộng lấy không khí từ môi trường ngoài, nén lại truyền dẫn làm hoạt ñộng các ñộng cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

b Các loại máy nén khí công suất nhỏ thường sử dụng

Máy nén khí ñược phân loại theo áp suất hoặc theo nguyên lý hoạt ñộng Đối với nguyên lý hoạt ñộng 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 ñược dùng cho công suất rất lớn và không kinh tế khi sử dụng lưu lượng dưới mức 600 m3/phút Vì thế nó không mang lại áp suất cần thiết cho ứng dụng ñiều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng

* Máy nén kiểu piston

Máy nén pít tông (hình 1.1) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất ñến 500 m3/phút Máy nén 1 pít tông có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ có thể ñến 10 bar; máy nén kiểu pít tông hai cấp có thể nén ñến 15 bar; 3-4 cấp lên ñến 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 ñổi thể tích Thể tích không gian giữa hai răng kề nhau và vỏ sẽ thay ñổi khi trục trục vít quay Do các rô to ñược chế tạo ở dạng trục vít nên ñiểm nén sẽ dịch chuyển từ cửa nạp ñến cửa ñẩy

Phần chính của máy nén trục vít gồm 2 roto: roto chính 2 và rô to phụ

1, (hình 1.3) Số ñầu mối ren trên rô to xác ñịnh thể tích làm việc của máy, có nghĩa là thể tích không khí cuốn vào trong một vòng quay Số ñầu mối ren càng lớn thể tích làm việc càng nhỏ Số ñầu mối ren của hai rô to khác nhau

sẽ cho hiệu suất cao hơn

Hình 1.2 Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít

Hình 1.3 Quá trình hút, nén và ñẩy của máy nén trục vít

* Máy nén kiểu cánh quạt (Rotary compressors)

Nguyên lý hoạt ñộng của máy nén khí kiểu cánh gạt mô tả ở hình 1.2: không khí sẽ ñược vào buồng hút Nhờ rôto và stato ñặt lệch tâm, nên khi rôto quay chiều sang phải, thì không khí vào buồng nén Sau ñó khí nén sẽ ñi ra buồng ñẩy

Hình 1.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt 1.1.1.3 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 ñến nơi tiêu thụ, ñảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khí nén cho các thiết bị làm việc, ví dụ như van, ñộng cơ khí, xy lanh khí…

Hình 1.5 Hệ thống, thiết bị phân phối khí nén

Truyền tải không khí nén ñược thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, chú ý ñối với hệ thống ống dẫn khí có thể là mạng ñường ống ñược lắp ráp cố ñịnh (trong toàn nhà máy) và mạng ñường ống lắp ráp trong từng thiết

bị, trong từng máy mô tả ở hình 1.3 Đối với hệ thống phân phối khí nén ngoài tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn ñúng các thông số của hệ thống ống dẫn ( ñường kính ống, vật liệu ống); cách lắp ñặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phẫn phối cũng ñóng vai trò quan trọng về phương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống ñiều khiển khí nén

* Bình nhận và trích khí nén

Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén của máy nén khí chuyển ñến, trích chứa, ngưng tụ và tách nước trước khi chuyển ñến nơi tiêu thụ

Kích thước của bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí, công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng vàphương pháp sử dụng khí nén

Bình trích chứa khí nén có thể ñặt nằm ngang, nằm ñứng Đường ống

ra của khí nén bao giờ cũng nằm ở vị trí cao nhất của bình trích chứa (hình 1.6)

- Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q=v.F) Vận tốc dòng chảy càng lớn, tổn thất áp suất trong ống càng lớn

- Vận tốc dòng chảy: vận tốc dòng chảy của khí nén trong ống dẫn nên chọn là từ 6 ÷ 10 m/s Vận tốc của dòng chảy khi qua các chỗ lượn cua của ống hoặc nối ống, van, những nơi có tiết diện nhỏ lại sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên nhất thời khi các thiết bị hay máy móc ñang vận hành

- Tổn thất áp suất: tốt nhất không vượt quá 0.1 bar Thực tế sai số cho phép ñến 5% áp suất làm việc Như vậy tổn thất áp suất là 0.3 bar là chấp nhận ñược với áp suất làm việc là 6 bar

- Hệ số cản dòng chảy: khi lưu lượng khí ñi qua các chỗ nối khớp, van, khúc cong sẽ gây ra hiện tượng cản dòng chảy Bảng 1, biểu thị các hệ số cản tương ñương chiều dài ống dẫn l’ của các phụ kiện nối

Bảng 1 Giá trị hệ số cản ζ tương ñương chiều dài ống dẫn l

1.1.1.4 Xử lý khí nén

Khí nén ñược tạo ra từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, ñộ bẩn có thể ở các mức ñộ khác nhau Chất bẩn có thể là bụi, ñộ ẩm của không khí hút vào, những cặn bả của dầu bôi trơn và truyền ñộng cơ khí Hơn nữa trong quá trình nén nhiệt ñộ của khí nén tăng lên, có thể gây ra ô xy hóa một số phần tử của hệ thống Do ñó việc xử lý khí nén cần phải thực hiện bắt buộc Khí nén không ñược xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng hoặc gây trở ngại tính làm việc

của các phần tử khí nén Đặc biệt sử dụng khí nén trong hệ thống ñiều khiển ñòi hỏi chất lượng khí nén rất cao Mức ñộ xử lý khí nén tùy thuộc vào từng phương pháp xử lý Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc ñể xử lý khí nén (hình 1.7)

Hình 1.8 Van lọc khí nén

Van ñiều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn ñịnh áp suất ñiều chỉnh, mặc dù có sự thay ñổi bất thường của áp suất làm việc ở ñường ra hoặc sự dao ñộng của áp suất ở ñầu vào Ap suất ở ñầu vào luôn luôn là lớn hơn áp suất ở ñầu ra (hình 1.9)

Hình 1.9 Van ñiều chỉnh áp suất

Van ñiều chỉnh áp ñược ñiều chỉnh bằng vít ñiều chỉnh tác ñộng lên màng kín Phía trên của màng chịu tác dụng của áp suất ñầu ra, phía dưới chịu tác dụng của lực lò xo sinh ra do vít ñiều chỉnh Bất kỳ sự tăng áp ở ñầu tiêu thụ gây cho màng kín dịch chuyển chống lại lực căn của lò xo vì vậy hạn chế dòng khí ñi qua miệng van cho tới lúc có thể ñóng sát

Khi khí nén ñược tiêu thụ, áp suất ñầu ra giảm, kết quả là ñĩa van ñược

mở bở lực căn lò xo lực Để ngăn chặn ñĩa van dao ñộng chập chờn phải dùng ñến lò xo cản gắn trên ñĩa van

Van tra dầu: ñược sử dụng ñảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bị trong hệ thống ñiều khiền khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mòn và sự gỉ (hình 1.10)

Hình 1.10 Van dầu

1.1.2 Yêu cầu về hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

1.1.2.1 Ưu ñiểm của hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

− Tính ñồng nhất năng lượng giữa phần I và P ( ñiều khiển và chấp hành) nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật ñơn giản, thuận tiện

− Không yêu cầu cao ñặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng: (3 – 8) bar

− Khả năng quá tải lớn của ñộng cơ khí

− Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật

− Tuổi thọ lớn

− Tính ñồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử chức năng báo hiệu, kiểm tra, ñiều khiển nên làm việc trong môi trường dễ

nổ, và bảo ñảm môi trường sạch vệ sinh

− Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì ñộ nhớt ñộng học khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên ñường dẫn ít

− Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống ñiều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nền truyền ñộng có thể ñạt ñược vận tốc rất cao

1.1.2.2 Nhược ñiểm của hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

− Thời gian ñáp ứng chậm so với ñiện tử

− Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với ñiện tử , chỉ ñiều khiển theo chương trình có sẵn Khả năng ñiều khiển phức tạp kém

− Khả năng tích hợp hệ ñiều khiển phức tạp và cồng kềnh

− Lực truyền tải trọng thấp

− Dòng khí nén thoát ra ở ñường dẫn gây tiếng ồn

− Không ñiều khiển ñược quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng

1.1.2.3 Yêu cầu về hệ thống truyền ñộng bằng khí nén

Hệ thống truyền ñộng khí nén gồm có các bộ phận ñể chuyển ñổi năng lượng khí nén, các bộ phận ñể ñiều khiển hệ thống, ñể ñiều khiển và ñiều chỉnh môi chất, ngoài ra còn có các bộ phận ñể chuẩn bị khí nén, lưu giữ và phân phối khí nén… Các bộ phận chuyển ñổi năng lượng khí nén gồm: các máy nén khí (biến năng lượng cơ học thành áp năng tích lũy trong khí nén), các ñộng cơ và xi lanh khí nén (biến năng lượng tích lũy trong khí nén thành năng lượng cơ học ở dạng chuyển ñộng quay, chuyển ñộng thẳng hoặc chuyển ñộng lắc) Chính vì vậy hệ thống truyền ñộng khí nén cần ñảm bảo các yêu cầu:

- Kết cấu ñơn giản, dễ bảo dưỡng sửa chữa

- Tuổi thọ và ñộ kín khít giữa các bộ phận lắp ghép phải ñảm bảo

- Có ñộ an toàn cao

- Giá thành rẻ

1.1.3 Các thông số của khí nén

1.1.3.1 Lực

- Đơn vị của lực là Newton (N) 1 Newton là lực tác ñộng lên ñối trọng

có khối lượng 1kg với gia tốc 1 m/s2

1 N = 1 kg.m/s2

1.1.3.2 Áp suất

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

- Pascal (Pa) là áp suất phân bố ñều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác ñộng vuông góc lên bề mặt ñó là 1 Newton (N)

Q lưu lượng của dòng chảy

A Tiết diện của dòng chảy

v Vận tốc trung bình của dòng chảy

1.1.3.5 Công suất

- Đơn vị công suất là Watt

-1 Watt là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 joule

1.2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG KHÍ NÉN

1.2.1 Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén

1.2.1.1 Các ñại lượng vật lý cơ bản của không khí

Bảng 1.2 Các ñại lượng vật lý cơ bản của không khí

Stt Đại lượng vật lý K.hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú

1 Khối lượng riêng ρn 1,293 kg/m 3 T=273K, Pa=760

kJ/kg.K kJ/kg.K

Áp suất hằng số Thể tích hằng số

5 Số mũ ñoạn nhiệt K 1,4

6 Độ nhớt ñộng lực η 17,17.10 -6 Pa.s Ở trạng thái tiêu chuẩn

7 Độ nhớt ñộng ν 13,28.10 -6 m 2 /s Ở trạng thái tiêu chuẩn

1.2.1.2 Các phương trình tính toán

* Phương trình trạng thái nhiệt ñộng học

Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:

V

p abs

.

= Hay:

2

2 2 1

1

T

V p T

V

= Khối lượng không khí m ñược tính theo công thức:

- Khi nhiệt ñộ T không thay ñổi, ta có:

abs

abs

p

p m m

1 2

2

1 = ρ ρ

p T

1 2

1 2 1 2

.

.

ρ = Thể tích riêng của không khí:

p. = , hay p.v = R.T

Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R:

R = cp – cv = cp

k

k− 1

= cv(k -1) Trạng thái ñoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở không có nhiệt ñược ñưa vào hay lấy ñi, có phương trình sau:

p1.v1k = p2.v2k = hằng số

2 1 1

2 2

1

) ( )

k k

T

T v

v p

p

Diện tích mặt phẳng 1, 2, 5, 6 trong hình 1.11 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:

1

1 1

v

v k

v p W

p

p k

v p W

1

1

2 1

1

1 1

1

1 1

.

T

T k

v p W

Công kỹ thuật Wt là công cần thiết ñể nén lượng không khí (Ví dụ trong máy nén khí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở Diện tích mặt phẳng 1, 2, 3, 4 ở trong hình 1.11 là công thực hiện ñể nén hay công thực hiện khí áp suất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị:

1 1 1

k t

v

v v

p k

p

p v

p k

k W

1

1

2 1

1 1 1

Trong thực tế không thể thực hiện ñược quá trình ñẳng nhiệt hay ñoạn nhiệt Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình ñẳng nhiệt và quá trình ñoạn nhiệt gọi là quá trình ña biến và có phương trình:

2 2

T

T v

v p

p

Quá trình ñẳng nhiệt: n = 1

3

p p

V

V2

1 2

1

Hình 1.11 Biểu ñồ ñoạn nhiệt

* Phương trình dòng chảy:

- Phương trình dòng chảy liên tục:

Lưu lượng khí nén chảy trong ñường ống từ vị trí 1 ñến vị trí 2 là không ñổi (hình 1.11), ta có phương trình dòng chảy như sau:

A1 [m2]: Tiết diện chảy tại vị trí 1

A2 [m2]: Tiết diện chảy tại vị trí 2

- Phương trình Becnully:

Phương trình Becnully ñược viết như sau:

ρ ρ

2 2

2 2 1

1

2

1

2

2

p

ρ : Áp năng

g: Gia tốc trọng trường

ρ: Khối lượng riêng không khí

p: Áp suất tĩnh

c Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp

Lưu lượng khối lượng khí qm qua khe hở ñược tính như sau:

qm= α ε A1 2 ρ 1 ∆p [kg/s]

Hay

1 1

2

ρ ε

A1 [m2]: Diện tích mặt cắt của khe hở

∆p = p1 – p2: Độ chênh áp suất trước và sau khe hở

ρ1: Khối lượng riêng của không khí

1.2.2 Các ñịnh luật cơ bản của dòng chất khí

1.2.2.1 Định luật pascal

Hình 1.12 Mô tả ñịnh luật pascal

Áp suất trong chất lỏng kín có thể ñược xem là ñồng nhất trong toàn bộ

hệ thống, thực tế có sự chênh lệch do áp lực cột nước ở những ñộ cao khác nhau Nhưng thường không ñáng kể so với áp suất vận hành hệ thống, áp suất

bằng nhau này gọi là ñịnh luật pascal

Trên (hình 1.13) với lực 5 kgf tác dụng vào piston diện tích 2 cm2, lực này tạo ra áp suất 2.5 kgf/cm2 tại mọi ñiểm trong chất lỏng và tác dụng lực bằng nhau lên khắp diện tích vách hệ thống

Lực tác dụng lên vách bình: F=P.A

F=5

kg

Tác dụng lên diện tích A=2cm2

Tạo ra áp suất p=2.5kgf/cm2

diện tích bình =1.5cm2 lực =37.500kgf

Diện tích ñáy =100cm2 lực =250kgf

Giả sử ñáy bình bên trái có diện tích 100cm2, tổng lực tác dụng lên ñáy bình là 250 kgf Nếu diện tích ñỉnh bình bên phải là 150.000 cm2 thì lực hướng lên trên bình bên phải rất lớn là 37500 kgf

Vì vậy, có thể dùng dòng chất lỏng kín ñể khuếch ñại lực Đối với khí nén trong bình kín ở trạng thái ổn ñịnh có thể áp dụng tương tự

1.2.2.2 Lưu lượng lưu chất

Hệ thống khí nén và thủy lực ñều liên quan với dòng lưu chất ñi qua ống Lưu lượng thường có 3 ñịnh nghĩa:

-Lưu lượng thể tích: ñược dùng ñể ño thể tích lưu chất ñi qua một ñiểm

trong một ñơn vị thời gian Nếu chất lỏng là chất khí có thể nén ñược, nhiệt

ñộ và áp suất phải ñược ñịnh rõ hoặc lưu lượng ñược tiêu chuẩn hóa với nhiệt

ñộ và áp suất chuẩn Lưu lượng thể tích là số ño thông dụng trong ñiều khiển quá trình

- Lưu lượng khối: ño khối lượng lưu chất ñi qua một ñiểm trong một

ñơn vị thời gian

- Lưu tốc (tốc ñộ lưu ñộng): ño tốc ñộ thẳng qua một ñiểm ño Lưu tốc

là ñại lượng rất quan trọng khi thiết kế hệ thống thủy lực và khí nén

Trên hình 1.4 minh họa các dạng lưu ñộng của lưu chất, với vận tốc lưu ñộng ñủ thấp, dòng chảy êm và thẳng với vận tốc thấp ở vách và cao nhất tại tâm ống, trạng thái này ñược gọi là chảy tầng

Khi vận tốc lưu ñộng tăng lên, các cuộn xoáy bắt ñầu hình thành cho ñến khi vận tốc ñủ lớn sẽ xuất hiện các dòng chảy rối hoàn toàn, lúc này vận tốc lưu ñộng gần như ñồng nhất qua mặt cắt ống, trạng thái này gọi là chảy rối

1.2.2.3 Định luật chất khí

Trong thực tế, chất lỏng ñược dùng trong hệ thống thủy lực có thể ñược xem là không nén ñược và không nhạy với sự thay ñổi nhiệt ñộ Trong khi ñó chất khí trong hệ thống khí nén rất nhạy với sự thay ñổi nhiệt ñộ và áp suất, ñược xác ñịnh bằng các ñịnh luật chất khí

Trong các biểu thức này, áp suất ñược xem là áp suất tuyệt ñối, nhiệt ñộ

là ñộ K, chẳng hạn nếu lấy một lít không khí ở áp suất khí quyển và 200C

Hình 1.13 Mô phỏng dòng chảy môi chất

ñược nén ñến áp suất ño là 3at, nghĩa là áp suất ñầu là 1at và nhiệt ñộ là 293K, áp suất cuối là 4at (tuyệt ñối)

Áp suất và thể tích quan hệ theo ñịnh luật Boyle (hình 1.15), với thể tích khí V1 ở áp suất P1 ñược nén ñến thể tích V2 kết quả áp suất sẽ tăng lên P2

P1.V1=P2.V2

Nhiệt ñộ của chất khí ñược xem là không ñổi trong suốt quá trình nén

Sự giảm áp suất sẽ dẫn ñến tăng thể tích và ngược lại

Trong thực tế, chất khí khi nén luôn kèm theo sự tăng nhiệt ñộ và sự giảm áp suất sẽ làm cho nhiệt ñộ giảm xuống Nếu tăng nhiệt ñộ từ T1 ñến T2

1

1

T

V P T

V P

=Trong ñó giá trị P1,V1,T1 là ñiều kiện ñầu và P2,V2,T2 là ñiều kiện cuối

1.3 NHẬN DẠNG CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG KHÍ NÉN

1.3.1 Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến ñổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển ñộng thẳng (xilanh) hoặc chuyển ñộng quay (ñộng cơ khí nén) Ở trạng thái làm việc ổn ñịnh, thì khả năng truyền năng lượng có phương pháp tính toán giống thủy lực

Công suất: N = p.Q (khí nén)

Vận tốc: v = N/Ft(cơ cấu chấp hành)

Cụ thể:

*Một số xilanh, ñộng cơ khí nén thường gặp:

- Xilanh tác dụng ñơn (tác dụng một chiều)

- Xilanh tác dụng hai chiều (tác dụng kép)

- Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không ñiều chỉnh ñược

- Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn ñiều chỉnh ñược

- Xilanh quay bằng thanh răng

- Động cơ khí nén 1 chiều, 2 chiều

1.3.2 Van ñảo chiều

Van ñảo chiều có nhiệm vụ ñiều khiển dòng năng lượng bằng cách ñóng, mở hay chuyển ñổi vị trí, ñể thay ñổi hướng của dòng năng lượng

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt ñộng của van ñảo chiều 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt ñộng của van ñảo chiều

Khi chưa có tín hiệu tác ñộng vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3) Khi có tín hiệu tác ñộng vào cửa (12) (khí nén), lúc này nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3)

bị chặn

Trường hợp tín hiệu tác ñộng vào cửa (12) mất ñi, dưới tạc dụng của lực lò xo, nòng van trở về vị trí ban ñầu

1.3.2.2 Ký hiệu van ñảo chiều

Chuyển ñổi vị trí của nòng van ñược biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái 0, a, b, c, hay các số 0, 1, 2,

Vị trí "0" ñược ký hiệu là vị trí, mà khi van chưa có tác ñộng của tín hiệu ngoài vào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí "0", còn ñối với van có 2 vị trí, thì vị trí "0" có thể là a hoặc b, thường vị trí b là vị trí "0"

Cửa nối van ñược ký hiệu như sau:

Theo t/c ISO5599 Theo t/c ISO1219

Cửa nối làm việc 2, 4, 6, A, B, C, Cửa xả khí 3, 5, 7, R, S, T, Cửa nối với tín hiệu ñiều khiển 12, 14, X, Y,

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các ñường thẳng có hình mũi tên, biểu diễn hướng chuyển ñộng của dòng khí qua van Trường hợp dòng bị chặn, ñược biểu diễn bằng dấu gạch ngang

Hình 1.16 Ký hiệu các cữa của van ñảo chiều

Một số van ñảo chiều thường gặp:

Hình 1.17 Các loại van ñảo chiều

1.3.2.3 Các tín hiệu tác ñộng

Nếu ký hiệu lò xo nằm ngay phía bên phải của ký hiệu của van ñảo chiều, thì van ñảo chiều ñó có vị trí "0" Điều ñó có nghĩa là chừng nào chưa

có tác dụng vào nòng van, thì lò xo tác ñộng giữ vị trí ñó

Tác ñông phía ñối diện của van, ví dụ: tín hiệu tác ñộng bằng cơ, bằng khí nén hay bằng ñiện giữ ô vuông phía trái của van và ñược ký hiệu "1'

a Tín hiệu tác ñộng bằng tay

b Tín hiệu tác ñộng bằng cơ

c Tín hiệu tác ñộng bằng khí nén

d Tín hiệu tác ñộng bằng nam châm ñiện

1.3.2.4 Van ñảo chiều có vị trí "0"

Van ñảo chiều có vị trí "0" là loại van có tác ñộng bằng cơ - lò xo lên nòng van

a Van ñảo chiều 2/2:

Tín hiệu tác ñộng bằng cơ -ñầu dò Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí "0" và

"1" Vị trí "0" cửa P và R bị chặn

Nếu ñầu dò tác ñộng vào, từ vị trí "0" van sẽ ñược chuyển ñổi sang vị trí "1", như vậy cửa P và R sẽ nối với nhau Khi ñầu dò không tác ñộng nữa, thì van sẽ quay trở về vị trí ban ñầu (vị trí "0") bằng lực nén lò xo

Hình 1.18 Van ñảo chiều 2/2

b Van ñảo chiều 3/2:

- Tín hiệu tác ñộng bằng cơ - ñầu dò Van có 3 cửa P, A và R, có 2 vị trí "0" và "1" Vị trí "0" cửa P bị chặn Cửa A nối với cửa R, nếu ñầu dò tác ñộng vào, từ vị trí "0" van sẽ ñược chuyển sang vị trí "1", như vậy cửa P và cửa A sẽ nối với nhau, cửa R bị chặn Khi ñầu dò không tác ñộng nữa, thì van

sẽ quay về vị trí ban ñầu (vị trí "0") bằng lực nén lò xo

- Ký hiệu:Tín hiệu tác ñộng bằng nam châm ñiện qua van phụ trợ

- Tại vị trí "0" cửa P bị chặn, cửa A nối với R Khi dòng ñiện vào cuôn dây, pittông trụ bị kéo lên, khí nén sẽ theo hướng P1, 12 tác ñộng lên pittông phụ, pittông phụ bị ñẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa P nối với A, cửa R bị chặn Khi dòng ñiện mất ñi, pittông trụ bị lò xo kéo xuống

và khí nén ở phần trên pittông phụ sẽ theo cửa Z thoát ra ngoài

Hình 1.19 Van ñảo chiều 3/2

c Van ñảo chiều 4/2:

+ Tín hiệu tác ñộng bằng tay - bàn ñạp

+ Tín hiệu tác ñộng trực tiếp bằng nam châm ñiện

Tại vị trí "0" cửa P nối với cửa B, cửa A với R Khi có dòng ñiện vào cuộn dây, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa P nối với cửa A, cửa B nối với cửa R

d Van ñảo chiều 5/2

- Tín hiệu tác ñộng bằng cơ - ñầu dò

Hình 1.20 Van ñảo chiều 3/2 tác ñộng bằng nam

châm ñiện qua van phụ trợ

1.3.2.5 Van ñảo chiều không có vị trí "0"

Van ñảo chiều không có vị trí "0" là van mà sau khi tín hiệu tác ñộng lần cuối lên nòng van không còn nữa, thì van sẽ giữ nguyên vị trí lần ñó, chừng nào chưa có tác ñộng lên phía ñối diện nòng van Ký hiệu vị trí tác ñộng là a, b, c,

Tín hiệu tác ñộng lên nòng van có thể là:

a Van ñảo chiều 3/2

Tín hiệu tác ñộng bằng tay, ñược ký hiệu:

Khi ở vị trí a, cửa P nối với cửa A và cửa R bị chặn

Vị trí b, cửa A nối với cửa R và cửa P bị chặn

b Van xoay ñảo chiều 4/3

Tín hiệu tác ñộng bằng tay, ñược ký hiệu:

Nếu vị trí xoay nằm tại vị trí a, thì cửa P nối với cửa A và cửa B nối với

R Vị trí xoay nằm tại vị trí b, thì các cửa nối A, B, P, R ñều bị chặn Vị trí xoay nằm tại vị trí c, thì cửa P nối với B và cửa A nối cửa R

c Van ñảo chiều xung 4/2

Tín hiệu tác ñộng bằng dòng khí nén ñiều khiển ñi ra từ 2 phía nòng van

Khi xả cửa X, nòng van sẽ dịch chuyển sang vị trí b, cửa P nối với với cửa A và cửa B nối với cửa R Khi cửa X ngừng xả khí, thì vị trí cửa nòng van vẫn nằm ở vị trí b cho ñến khi có tín hiệu xả khí ở cửa Y

1.3.3.3 Van logic AND

Van logic AND có chức năng là nhận tín hiệu ñiều khiển cùng một lúc

ở những vị trí khác nhau trong hệ thống ñiều khiển

1.3.4 Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng ñể ñiều chỉnh lưu lượng dòng khí

1.3.4.1 Van tiết lưu có tiết diện không thay ñổi

1.3.5 Van ñiều chỉnh thời gian

1.3.5.1 Rơle thời gian ñóng chậm

Khí nén qua van một chiều, cần thời gian t1 ñể làm ñầy bình chứa, sau

ñó tác ñộng lên nòng van ñảo chiều, van ñảo chiều chuyển ñổi vị trí, cửa P nối với cửa A

1.3.5.2 Rơle thời gian ngắt chậm

Rơle thời gian ngắt chậm, nguyên lý, cấu tạo cũng tương tự như rơle thời gian ñóng chậm, nhưng van tiết lưu một chiều có chiều ngược lại

1.3.6 Van chân không

Van chân không là cơ cấu có nhiệm vụ hút và giữ chi tiết bằng lực chân không, chân không ñược tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lý ống venturi

- Tuân thủ ñúng quy ñịnh, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén

2.1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

2.1.1 Nhiệm vụ

Biến thế năng của khí nén ở dạng áp suất (P) và lưu lượng (Q), thành

cơ năng ở dạng chuyển ñộng tịnh tiến hoặc chuyển ñộng quay

2.1.2 Yêu cầu

2.1.2.1 Về khí nén

Khí nén ñược tạo ra từ những máy nén khí chứa ñựng rất nhiều chất bẩn theo từng mức ñộ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, hơi nước trong không khí, những phần tử nhỏ, cặn bã của dầu bôi trơn và truyền ñộng cơ khí Khí nén khi mang chất bẩn tải ñi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ sét trong ống và trong các phần tử của hệ thống ñiều khiển Vì vậy, khí nén ñược sử dụng trong hệ thống khí nén phải ñược xử lý Tùy thuộc vào phạm vi sử dụng mà xác ñịnh yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể

Hệ thống xử lý khí nén ñược phân thành 3 giai ñoạn :

- Lọc thô: dùng bộ phận lọc bụi thô kết hợp với bình ngưng tụ ñể tách hơi nước

- Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí nén ñể lọai bỏ hầu hết lượng nước lẫn bên trong Giai ñoạn 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

2.1.2.2 Về kỹ thuật

Đảm bảo các thông số ñầu ra ñạt tiêu chuẩn

- Đối với chuyển ñộng tịnh tiến phải ñảm bảo tiêu chuẩn về lực (F);

hành trình dịch chuyển piston(S); Tốc ñộ dịch chuyển piston (V)

- Đối với chuyển ñộng quay ñảm bảo tiêu chuẩn về mô men xoắn(Mx);

- Điều khiển bằng tay: ñiều khiển trực tiếp và ñiều khiển gián tiếp

- Điều khiển theo thời gian

- Điều khiển theo hành trình

- Điều khiển theo tầng

- Điều khiển theo nhịp

2.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

2.2.1 Sơ ñồ cấu tạo

2.2.1.1 Nguyên lý truyền ñộng

2.2.1.2 Sơ ñồ nguyên lý truyền ñộng

Hình 2.1 Sơ ñồ nguyên lý của mạch ñiều khiển và các phần tử

2.2.1.3 Biểu ñồ trạng thái

- Biểu ñồ 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 ñộ thẳng ñứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển ñộng,

áp suất, góc quay, .), trục tọa ñộ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình Hành trình làm việc ñược chia thành các bước, sự thay ñổi trạng thái trong các bước ñược biểu diễn bằng ñường ñậm, sự liên kết các tín hiệu ñược biểu diễn bằng ñường nét mảnh và chiều tác ñộng biểu diễn bằng mũi tên

- Xilanh ñi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-)

- Các phần tử ñiều khiển ký hiệu vị trí "0" và vị trí "1" (hoặc "a", "b')

- Một số ký hiệu biểu diễn biểu ñồ trạng thái:

2.2.2 Nguyên lý hoạt ñộng

2.2.2.1 Điều khiển bằng tay

- Điều khiển trực tiếp

- Điều khiển gián tiếp

- Biểu ñồ trạng thái

2.2.2.2 Điều khiển theo thời gian

- Biểu ñồ trạng thái

- Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự ñộng

- Biểu ñồ trạng thái

2.2.2.3 Điều khiển theo hành trình

- Biểu ñồ trạng thái

2.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ

Hiện nay máy nén khí là các sản phẩm kỹ thuật ñồng bộ và hiện ñại, có các chức năng kiểm tra, ñiều chỉnh và ñiều khiển thông minh Máy nén khí có thể ñược sử dụng ở dạng tĩnh tại hoặc di ñộng Áp suất ñược tạo ra từ máy nén, ở ñó năng lượng cơ học của ñộng cơ ñiện hoặc của ñộng cơ ñốt trong

ñược chuyển ñổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

2.3.1 Máy nén khí loại rô to

- Có hai loại máy nén khí kiểu roto thường ñược sử dụng:

+ Máy nén khí kiểu cánh quay

+ Máy nén khí kiểu trục vít

2.3.1.1 Máy nén khí kiểu cánh quay

Máy nén cánh quay là một máy thủy tĩnh có tỷ số nén xác ñịnh theo cấu trúc Nhờ bố trí rô to lệch tâm mà thể tích giới hạn bởi cánh quay và stator ñược nén lại khi quay rô to Kết cấu nhỏ gọn và chuyển ñộng liên tục của rô

to cho phép tần số quay cực ñại ñạt ñến 3000vM/ph

a Cấu tạo

Hình 2.2 Cấu tạo máy nén kiểu roto một cấp

1- Thân máy; 2- Nắp máy; 3- Mặt bích ñầu 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 ñầu 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 theo các rãnh trên rô to tựa ñầu mút ngoài vào stator Quá trình hút và nén ñược thực hiện theo sự thay ñổi thể tích giới hạn giữa các cánh quay và mặt tựa stator

b Nguyên lý hoạt ñộng

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