TÀI LIỆU TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN TÀU THỦY

Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực tàu thủy bởi có nhiều ưu điểm, đó là: • Độ tin cậy làm việc cao; • Đặc biệt đảm bảo được an toàn hệ thống truyền

TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN TÀU THỦY

6.1 KHÁI NIỆM VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Hệ truyền động khí nén là một hệ truyền động sử dụng khí nén (không khí được nén dưới một áp suất nhất định) làm môi chất trung gian vận chuyển và truyền năng lượng Trong kỹ thuật, khí nén còn được gọi là

chất lỏng công tác Khái niệm "chất lỏng công tác" ở đây tương tự như

“chất lỏng” trong các hệ thống thủy lực.

Hiện nay, các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng khá phổ biến trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ công nghệ từ đơn giản như kẹp, giữ, nâng, hạ đến phức tạp như kiểm tra, đo lường, điều khiển từ xa, tự động điều khiển, tự động điều chỉnh

Điểm cơ bản của hệ truyền động khí nén là gồm các thiết bị sử dụng năng lượng khí nén, có sự tham gia hỗ trợ của điện và thủy lực để tăng tính hoàn thiện trong các khâu truyền động Tính chất vật lý cơ bản của khí nén

là tồn tại tính nén được của chất khí (thông thường là không khí) và hiệu

ứng động học của chất khí Như vậy, trong hệ thống truyền động khí nén có thể có các phần động, dịch chuyển trong quá trình làm việc, nhưng cũng có thể hoàn toàn không có các phần động

Tập hợp toàn bộ các phần tử của thiết bị khí nén được liên hệ và tác động qua lại với nhau bằng một thể thức nhất định, nhằm đảm bảo hình thái truyền động theo thiết kế được gọi là một hệ truyền động khí nén

Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực tàu thủy bởi có nhiều ưu điểm, đó là:

• Độ tin cậy làm việc cao;

• Đặc biệt đảm bảo được an toàn hệ thống truyền động trong điều kiện làm việc có nhiệt độ cao, dễ cháy nổ, môi trường hóa chất ;

• Có tác động truyền động nhanh trong hệ thống điều khiển từ xa;

• Có thể tích trữ năng lượng;

• Không gây độc hại cho người khai thác

Tuy nhiên, hệ thống khí nén lại có một số hạn chế sau:

• Hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn hơn so với hệ thống truyền động thủy lực có cùng công suất;

• Tính chịu nén của chất khí khá lớn cho nên ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của hệ thống;

• Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian đối với bộ phận chấp hành khó thực hiện được chính xác; và

• Khi làm việc, các hệ thống khí nén thường ồn hơn so với truyền động thủy lực

6.2 CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Các thiết bị khí nén được phân loại thành các nhóm chức năng sau:

1 Trạm cấp khí nén (nguồn cấp): Là nhóm thiết bị, máy móc có nhiệm vụ

nén và tích trữ không khí (khí nén) ở áp suất cao để tạo nguồn sẵn sàng cung cấp cho hệ thống truyền động hoạt động

2 Cơ cấu chấp hành (còn được gọi là bộ phận chấp hành hoặc động cơ khí nén cũng có thể là phần tử thực hiện: Được sử dụng để biến đổi trực tiếp

năng lượng khí nén thành động năng chuyển động cơ học nhằm thực hiện công đoạn công nghệ hay các thao tác (hoạt động) đã được sắp đặt trước

3 Thiết bị phân phối và điều khiển khí nén (các phần tử khí nén): Được

dùng để thay đổi hướng đi của dòng khí nén từ nguồn, tạo lập và đảm bảo trình tự làm việc cho các bộ phận chấp hành và sau đó xả ra môi trường (khí quyển)

6.3 PHÂN LOẠI CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Thông thường, các hệ truyền động khí nén được phân loại theo một

số cách sau:

1- Theo dạng chuyển động của cơ cấu chấp hành (cơ cấu thực hiện).

Theo cách này, các hệ truyền động khí nén được chia thành 2 nhóm chính: chuyển động tịnh tiến (với cơ cấu chấp hành kiểu xi lanh khí nén) và chuyển động quay (với cơ cấu chấp hành kiểu rô-to khí nén)

2- Theo số lượng cơ cấu chấp hành khí nén Được phân ra là hệ

truyền động khí nén có một hoặc nhiều cơ cấu chấp hành

3- Theo tính chất của thiết bị điều khiển Các hệ truyền động khí nén

có thể chia ra nhiều loại: điều khiển bằng khí nén, điều khiển bằng điện hay điều khiển cơ khí hoặc kết hợp

4- Theo tính chất làm việc của cả hệ thống, chúng được chia thành

hai nhóm:

• Hệ truyền động khí nén làm việc theo chế độ liên tục;

• Hệ truyền động khí nén làm việc theo chế độ ngắt quãng và chế độ xung

5- Theo phương pháp điều khiển, các hệ truyền động khí nén có thể

là loại điều khiển theo vị trí, theo áp suất hoặc theo thời gian

Ngoài các cách phân loại trên, các hệ truyền động khí nén còn có thể phân loại theo một số cách nữa như đặc điểm kết cấu của cơ cấu chấp hành, đặc diểm của cơ cấu truyền tải Các hệ truyền động khí nén cũng có thể được sử dụng kết hợp với các hệ truyền động điện hoặc thủy lực để tạo thành các hệ truyền động hỗn hợp thủy - khí hoặc điện - thủy - khí nén

Việc quyết định sử dụng hệ truyền động khí nén kiểu nào phụ thuộc vào yêu cầu và đặc điểm làm việc cụ thể của đối tượng Thông thường, những yêu cầu kỹ thuật và làm việc như vậy được đưa ra từ đầu cho người thiết kế Trên cơ sở đó, người thiết kế sẽ lựa chọn hệ truyền động khí nén thích hợp, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra

Trong thực tế, việc phân loại và ứng dụng các hệ truyền động khí nén rất đa dạng và phong phú, bởi lĩnh vực sử dụng của chúng ngày càng

mở rộng

6.4 NGUYÊN LÝ VÀ CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN

CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Một hệ truyền động khí nén bao gồm các thiết bị chính sau:

• Cơ cấu chấp hành khí nén;

• Thiết bị phân phối;

• Thiết bị điều khiển;

• Thiết bị nguồn và hệ thống đường ống

Trong sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén, thường chỉ biểu diễn ba thành phần đầu tiên, đó là cơ cấu chấp hành, thiết bị phân phối và thiết bị điều khiển Các thành phần còn lại như đường ống, nguồn cấp khí nén, phần

tử lọc được quy ước là những phần tử đương nhiên phải có mặt trong hệ thống mà có khi không cần phải biểu diễn chúng cụ thể trên sơ đồ

6.4.1 THIẾT BỊ NGUỒN KHÍ NÉN

Thiết bị nguồn khí nén là các thiết bị tạo ra và cho phép duy trì năng lượng của không khí nén dưới một áp suất nhất định để dùng trong hệ truyền động Trong công nghiệp nói chung và truyền động khí nén tàu thủy

hệ thống bình chứa (chai gió) khí nén Trong đó, máy nén làm nhiệm vụ nén không khí vào bình tới áp suất từ khoảng 20 cho đến 25 KG/cm2 Không khí được nén này được tích trữ sẵn sàng trong bình để cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khí nén Muốn sử dụng khí nén ở một áp suất ổn định nào đó, nguồn cấp khí nén cần phải lắp đặt hệ thống van giảm áp (ổn áp) và thiết bị lọc khí (phin lọc) trước khi cấp đi sử dụng Mặt khác, trường hợp cần sử dụng khí nén không chứa lẫn nước, trong hệ thống phải có khả năng tách hơi ẩm bằng cách lắp đặt thiết bị như phin lọc kèm theo cơ cấu tách ẩm khí nén

Để chuyển tải dòng khí nén tới nơi tiêu thụ, người ta sử dụng các đường ống dẫn khí Trong một số trường hợp, các đường ống này có thể đóng vai trò là các kênh điều khiển của từng thiết bị khí nén riêng biệt Khi tính chọn các đường ống dẫn khí nén cần lưu ý đến vận tốc dòng khí trong đường ống không vượt quá 17m/s Vì nếu vận tốc dòng khí vượt quá trị số trên sẽ có tổn thất áp suất khá lớn, như vậy có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng làm việc của hệ thống truyền động khí nén

Các cơ cấu chấp hành khí nén là các thiết bị khí nén được sử dụng để nhận và biến đổi trực tiếp nguồn năng lượng khí nén thành chuyển động cơ học của bộ phận công tác Trong thực tế, các cơ cấu chấp hành khí nén rất

đa dạng và phong phú về kiểu loại, kích thước phụ thuộc vào đặc điểm làm việc và điều kiện sử dụng, ví dụ như: xy lanh khí nén, xi phông khí nén (hộp xếp), động cơ rô to khí nén

Các thiết bị điều khiển, phân phối khí nén được ví dụ như các loại van chặn, van phân phối, các thiết bị điều khiển kiểu con trượt, kiểu màng Các thiết bị đó dùng để định hướng, đổi hướng dẫn khí, tạo lập trình tự thao tác và chuyển động cho các cơ cấu chấp hành khí nén Trong thuật ngữ riêng cho chuyên ngành kỹ thuật, các thiết bị khí nén này được gọi là các phần tử khí nén Các phần tử khí nén kết hợp với nhau theo sơ đồ chức năng nhất định tạo ra được khả năng điều khiển máy móc làm việc theo chương trình lô-gíc, tự động điều khiển, tự động điều chỉnh Các sơ đồ như vậy được gọi là sơ đồ điều khiển của hệ thống truyền động khí nén

Ngoài các thiết bị được đề cập ở trên, còn có rất nhiều loại cơ cấu phần tử khí nén không trực tiếp tham gia vào việc thực hiện quá trình công nghệ hoặc quá trình điều khiển mà chúng lại được sử dụng để thực hiện nhiều chức năng khác nhằm hỗ trợ cho hệ thống làm việc một cách hoàn thiện và ổn định Đó là các bộ lọc khí và tách dầu, tách ẩm, bộ hóa mù và phun sương dầu bôi trơn cho các phần chuyển động của hệ thống, các van

xả (nước, dầu ), các bình chứa khí, các bộ giảm ồn cho khí xả, hệ thống sấy khô khí cho các hệ thống thiết bị khí nén yêu cầu sử dụng khí khô, sạch như trong các hệ thống tự động khí nén kiểu màng, tia

Trong lĩnh vực công nghiệp tàu thủy, việc quyết định sử dụng hệ truyền động khí nén kiểu nào phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, đặc điểm công tác của đối tượng và khuynh hướng ứng dụng của người thiết kế Để tiện lợi trong sản xuất, các thiết bị khí nén và công nghệ ứng dụng truyền động khí nén được các nhà chế tạo sản xuất hàng loạt các mô-đun khí nén

cơ bản Trên cơ sở đó, người tiêu dùng có thể tùy chọn các mô-đun thích hợp để tổ hợp, thiết kế thành hệ truyền động khí nén theo mục đích riêng Chúng ta hãy nghiên cứu một số phần tử khí nén và mô-đun khí nén cơ bản

đã và đang được ứng dụng trong công nghiệp, trong đó có lĩnh vực tàu thủy 6.4.2 TRẠM CẤP KHÍ NÉN

Hình 6.1 Sơ đồ trạm cấp khí nén

1 Máy nén khí; 2 Van chặn; 3 Áp kế; 4 Van an toàn;

5 Van xả nước; 6 Van một chiều; 7 Phin lọc khí kèm

tách ẩm; 8 Van giảm áp; 9 Van chặn

Trạm cấp khí nén (hình 6.1) thường sử dụng máy nén khí pitông hai cấp và hệ thống bình chứa (chai gió) khí nén Tùy theo mức độ sử dụng khí nén mà chọn thể tích các bình chứa và theo dải áp suất thích hợp để chọn van giảm áp phù hợp Thông thường, máy nén làm nhiệm vụ nén không khí vào bình chứa tới áp suất từ khoảng 20 đến 25 KG/cm2 Không khí nén này tích trữ sẵn sàng trong bình để cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ Muốn sử dụng khí nén ở một áp suất ổn định nào đó, nguồn cấp khí nén cần phải lắp đặt van giảm áp (ổn áp) và thiết bị lọc khí (phin lọc) cho sạch trước khi cấp

đi sử dụng Mặt khác, trường hợp cần sử dụng khí nén không chứa lẫn nước, trong hệ thống phải có khả năng tách hơi ẩm bằng cách lắp đặt thiết bị như phin lọc kèm theo cơ cấu tách ẩm khí nén Nhưng nếu thiết bị tiêu thụ khí nén là các phần tử cần được bôi trơn trong quá trình làm việc Vì vậy, hệ thống lại phải trang bị thêm thiết bị phun sương dầu bôi trơn

(Microlubricator) vào khí nén trước khi cấp khí đi sử dụng hoặc sử dụng

8

Động

7 4

3 2

9 6

1

5

dầu bôi trơn cho máy nén khí là loại dầu dùng kết hợp cho bôi trơn các phần

tử khí nén

6.4.3 VAN PHÂN PHỐI KHÍ NÉN

Cũng như các phần tử thủy lực, van phân phối khí nén (còn được gọi

là van hướng dòng) là phần tử khí nén dùng để dẫn đường dòng khí công tác (khí nén) đến nơi tiêu thụ năng lượng (động cơ khí nén) trong hệ thống theo

sự điều khiển của người khai thác Trong thực tế, sử dụng van phân phối để phân bố, điều khiển các nhóm chức năng hoạt động độc lập với nhau trong một hệ thống khí nén đa chức năng hoặc đảo chiều, đổi vế tác dụng của các động cơ khí nén vv Hình 6.2 là ví dụ một số van phân phối khí nén thường được dùng trong truyền động khí nén tàu thủy Trong truyền động khí nén tàu thủy, loại van phân phối khí nén (Control valve) 5/2 và 3/2 rất phổ biến

sử dụng Chúng có thể được điều khiển bằng tay, van điện từ, khí nén hoặc kết hợp điện-khí nén

(a) (b)

Hình 6.2 Van phân phối khí nén kiểu pitông con trượt

(a) Van P.P 5/2 ( 5 đường thông, 2 vị trí điều khiển)

(b) Van P.P 3/2 ( 3 đường thông, 2 vị trí điều khiển)

- Nguồn cấp khí nén - Xả ra môi trường

Trong thực tế ứng dụng các hệ truyền động tự động khí nén ở dải áp suất từ 0,24 đến 0,64 MPa, người ta sử dụng nhiều loại phần tử khí nén khác nhau để xây dựng hệ điều khiển cho chúng, thiết kế các mạch khí nén thực hiện nhiều phép tính logic trong hệ thống điều khiển bằng khí nén Hãy tham khảo bảng (1) những ví dụ thực hiện phép tính logic của các van phân phối khí nén 5/2 và 3/2

5

4

3

2

2

1

Bảng 1.

Hàm logic Ký hiệu Bảng trạng thái Sơ đồ nguyên lý

Phép khẳng

định logic

f2 = x12 x12 f2

0 0

1 1

x12

Phép phủ

định logic

f2 = x12 x12 f2

0 1

1 0

x12

Phép cộng

logic f2 = x12 + x3 x 0 0 012 x3 f2

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Phép nhớ

logic

(Trigơ với

đầu vào độc

lập)

x12 x10 f2

1 0 1

0 0 1

0 1 0

0 0 0

Phép nhân

logic

f2 = x12.x3 x12 x1 f2 f4

0 0 0 1

0 1 0 0

1 0 0 1

1 1 1 1

2

3 1

3

2

1

3

f

2

x3

x

12

2

1

3

f2

x10

x12

2

1

4 2

x1

f4

f2

x12

5 3

1

6.4.4 PHẦN TỬ KHÍ NÉN KIỂU MÀNG

Hình 6.3 Sơ đồ và ký hiệu phần tử khí nén kiểu màng USEPPA Phần tử khí nén kiểu màng có nhiệm vụ điều khiển và thực hiện các phép tính logic trong hệ thống điều khiển khí nén Dải áp suất làm việc của các phần tử khí nén kiểu màng nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,24 Mpa (1,4 đến 2,4 KG/cm2) Các phần tử khí nén kiểu màng có ưu điểm là có khả năng làm việc với tần số cao hơn nhiều so với tần số làm việc của các phần tử khí nén kiểu con trượt, đồng thời có quán tính làm việc nhỏ nhưng lại có nhược điểm là không chịu được áp suất lớn Trên hình 6.3 là sơ đồ và ký hiệu phần

tử khí nén kiểu màng USEPPA (Liên Xô cũ), nó còn được gọi là rơ-le khí nén Rơle khí nén được cấu tạo bởi 3 màng đàn hồi có diện tích tác dụng khác nhau được nối trực tiếp với nhau bằng một tâm cứng và chia khoang rơle khí nén ra làm 4 ngăn: A, B, C, D độc lập với nhau Ngăn A có đường cấp khí nén vào và dẫn khí nén ra để đi sử dụng nhưng được khống chế bởi

sự đóng hoặc mở bằng đầu tâm cứng với cửa cấp khí vào Ngăn D cũng được nối thông với 2 đường, một trong hai đường thông về với ngăn A và một đường thông còn lại xả ra môi trường Tại ngăn D, việc dẫn khí nén thông về A để đi sử dụng hay xả khí nén ra ngoài môi trường cũng được đóng hay mở bằng đầu tâm cứng với cửa dẫn khí Mỗi ngăn B và C đều

được nối với một đường p 1 , p 2 tương ứng mà chính các đường khí này là những đường dẫn tín hiệu khí nén điều khiển quá trình làm việc của rơle khí nén

A

B C

D

p vào

p 1

p 2

p ra

A

B C

D

p vào

p 1

p 2

p ra

(a) (b) Hình 6.4 Sơ đồ rơle khí nén có áp suất đệm

(a) Áp suất đệm ngăn B = 0,3pvào (b) Áp suất đệm ngăn C = 0,7pvào

Để tạo ra cho rơle khí nén có những chức năng khác nhau, người ta duy trì trong ngăn B hoặc ngăn C bằng những áp suất không đổi, những áp suất này gọi là áp suất đệm Tiêu chuẩn hóa khi chế tạo hàng loạt các rơle khí nén, thông thường là áp suất đệm ngăn B = 0,3 pvào và áp suất đệm ngăn

C = 0,7 pvào Kết hợp với việc đưa tín hiệu khí nén điều khiển vào những ngăn còn lại của rơle khí nén mà chúng ta có được hàng loạt các khả năng thực hiện phép tính logic trong mạch điều khiển khí nén, hình 6.5

Hình 6.5 Sơ đồ thực hiện phép tính logic của các rơle khí nén USEPPA

A

B C

D

p vào

p 1

p ra

A

B C

D

p vào

p

1 = 0,3p

vào

p 2 = 0,7p vào

p

2

p ra

x

x y

x

x y

x

y f = x+y

x

y

f = xy x

y

f = x + y

6.4.5 VAN GIẢM ÁP KHÍ NÉN

Van giảm áp (còn được gọi là van ổn áp) là phần tử khí nén dùng để

duy trì một giá trị áp suất sau van không đổi và không phụ thuộc vào áp suất nguồn cấp khí vào cho van

Hình 6.6 Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu của van giảm áp khí nén

A- Cửa vào van 3 - Đường dẫn tới van tràn B- Cửa ra khỏi van 4 - Nấm van tràn

C- Đường thoát ra ngoài 5 - Rãnh tiết lưu

D- Khoang trượt của van 6 - Vít chỉnh

1- Lò xo van tràn 7 - Pitông của van

2- Lò xo 8 - Lối đi chính của khí qua van

Nguyên lý hoạt động của van giảm áp: Trên hình 6.6 cho ta thấy sơ

đồ cấu tạo van giảm áp Van này thường được sử dụng cho trạm cấp khí nén hoặc trong một số hệ thống truyền động khí nén tàu thủy Cửa A của van được nối với nguồn cấp chất khí (thông thường nguồn cấp khí là chai gió)

và cửa B được dẫn tới bộ phận chấp hành (động cơ khí nén hoặc các thiết bị tiêu thụ khí nén) mà bộ phận chấp hành này đòi hỏi sử dụng nguồn khí nén

có giá trị áp suất không đổi Giả sử vì một lý do nào đó mà áp suất tại cửa B tăng lên so với giá trị đã đặt trước cho van (ví dụ: mức độ tiêu thụ chất khí của bộ phận chấp hành giảm), tín hiệu áp suất này đi qua rãnh tiết lưu 5, về khoang D, qua đường dẫn 3 để tác dụng vào nấm van 4 Nếu áp suất tăng đó thắng sức căng lò xo1 (chỉnh sức căng bằng vít chỉnh 6) thì sẽ làm mở van

2

C

A

B

4 6

3 D

2 7 A

8

B

5