Đang tải... (xem toàn văn)
+ Truyền động thẳng là ƣu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, [r]
(1)ĐỀ CƢƠNG BÀI GIẢNG
Mô đun: ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN, THỦY LỰC
GIÁO VIÊN: BÙI QUANG HÒA
(2)BÀI
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỦY LỰC, KHÍ NÉN
1.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN:
Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) đƣợc sử dụng rộng rãi công
nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ môi trƣờng độc hại Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc dây chuyền sản xuất tự động; Trong cơng nghiệp gia cơng khí; cơng nghiệp khai thác khống sản…
• Các dạng truyền động sử dụng khí nén:
+ Truyền động thẳng ƣu hệ thống khí nén kết cấu đơn giản linh hoạt cấu chấp hành, chúng đƣợc sử dụng nhiều thiết bị gá kẹp chi tiết gia công, thiết bị đột dập, phân loại đóng gói sản phẩm… + Truyền động quay: nhiều trƣờng hợp yêu cầu tốc độ truyền động cao, công suất không lớn gọn nhẹ tiện lợi nhiều so với dạng truyền động sử dụng lƣợng khác, ví dụ cơng cụ vặn ốc vít sửa chữa lắp ráp chi tiết, máy khoan, mài công suất dƣới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vịng/phút Tuy nhiên, hệ truyền động quay cơng suất lớn, chi phí cho hệ thống cao so với truyền động điện
1.2 NHỮNG ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
1.2.1 Ƣu điểm :
+ Có khả truyền lƣợng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đƣờng dẫn nhỏ
+ Do khả chịu nén (đàn hồi) lớn khơng khí, nên trích chứa khí nén thuận lợi Vì có khả ứng dụng để thàỡnh lập trạm trích chứa khí nén
+ Khơng khí dùng để nén, hầu nhƣ có số lƣợng khơng giới hạn thải ngƣợc trở lại bầu khí
(3)+ Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn đƣợc đảm bảo, nên tính nguy hiểm trình sử dụng hệ thống truyền động khí nén thấp
+ Các thành phần vận hành hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ) có cấu tạo đơn giản giá thành không đắt
+ Các van khí nén phù hợp cách lý tƣởng chức vận hành logic, đƣợc sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp móc phức hợp
1.2.2 Nhƣợc điểm :
+ Lực để truyền tải trọng đến cấu chấp hành thấp
+ Khi tải trọng hệ thống thay đổi, vận tốc truyền thay đổi theo, khả đàn hồi khí nén lớn (Khơng thể thực đƣợc chuyển động thẳng quay đều)
+ Dịng khí đƣờng dẫn gây nên tiếng ồn
1.3 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: 1.3.1 Áp suất:
Đơn vị áp suất theo hệ đo lƣờng SI Pascal
1 Pascal áp suất phân bố lên bề mặt có diện tích 1m2
với lực tác động vng góc lên bề mặt Newton (N)
1 Pascal (Pa) =1 N/m2
1 Pa = kg m/s2/m2 = 1kg/ms2
Trong thực tế ngƣời ta dùng đơn vị bội số Pascal Megapascal (MPa) MPa = 1.000.000Pa
Ngồi cịn dùng đơn vị bar: bar = 105
Pa = 100.000Pa
kp/cm2 = 0,980665 bar = 0,981 bar
bar = 1,01972kp/cm2 = 1,02 kp/cm2
Trong thực tế ngƣời ta coi :
bar = kp/cm2 = at
Ngoài số nƣớc (Anh, Mỹ) sử dụng đơn vị đo áp suất:
Pound (0,45336kg) per square inch (6,4521 cm2)
(4)bar = 14,5 psi
1psi = 0,06895 bar
1.3.2 Lƣu lƣợng :
Lƣu lƣợng dịng khí nén đƣợc tính:
Trong đó:
Q: lƣu lƣợng;
V: thể tích khí chuyển qua tiết diện ngang đƣờng ống hay buồng xilanh đơn vị thời gian t
Lƣu lƣợng dịng khí nén có ý nghĩa quan trọng xác định tốc độ làm việc cấu chấp hành
1.3.3 Lực:
Lực đẩy hay kéo Piston gây tác dụng khí nén có áp suất P đƣợc tính theo cơng thức:
F = P.A [N] Trong đó:
P áp suất khí nén [Pa]
A điện tích bề mặt Piston[m2]
F lực tác dụng vng góc với bề mặt Piston [N]
Trong hình vẽ, diện tích A1 , A2 khác (A2 = A1 –A3), A3 diện tích
tiết diện cần piston, nên lực tác dụng khác nguồn khí nén có áp suất P
F1 = P.A1; F2 = P.A2 F1 > F2 1.3.4 Tốc độ truyền động xy lanh:
(5)Khi Q[m3/s]; A[m2] v[m/s], nhƣ vậy, trƣờng hợp dung tích hành trình cấu chấp hành tải trọng không đổi, tốc độ truyền động tỷ lệ với lƣu lƣợng Q
Trong kỹ thuật khí nén, ngƣời ta dùng van tiết lƣu ( điều tiết lƣu lƣợng) để khống chế tốc độ cấu chấp hành
1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ:
1.4.1 Định luật khí lý tƣởng: Biểu diễn mối liên hệ áp suất, thể tích
nhiệt độ Khi áp dụng định luật sử dụng áp suất nhiệt độ tuyệt đối
Đẳng áp : V/T = const
Đẳng tích : P/T = const
Đẳng nhiệt : P.V = const
1.4.2 Định luật Boyle: Tích áp suất tuyệt đối thể tích khối khí
ln số nhiệt độ khí khơng thay đổi
1.4.3 Định luật Pascal: Áp suất tác dụng lên dòng chảy đƣợc chuyền
theo hƣớng với lực
(6)Lực tạo piston khí nén
1.5 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG KHÍ NÉN:
Hệ thống khí nén thƣờng bao gồm khối thiết bi:
- Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, thiết bị an tồn, thiết
bị xử lý khí nén( lọc bụi, lọc nƣớc, sấy khô…),…
- Khối điều khiển gồm: phần tử xử lý tín hiệu điều khiển phần tử
điều khiển đảo chiều cấu chấp hành
- Khối thiết bị chấp hành: Xilanh, động khí nén, giác hút…
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén
(7)1.6 MÁY NÉN KHÍ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG:
Áp suất khí đƣợc tạo từ máy nén khí, lƣợng học động
cơ điện động đốt đƣợc chuyển đổi thành lƣợng khí nén
và nhiệt
1.6 Nguyên tắc hoạt động phân loại máy nén khí:
a/ Nguyên tắc hoạt động:
Nguyên lý thay đổi thể tích: khơng khí đƣợc dẫn vào buồng chứa,
thể tích buồng chứa nhỏ lại Nhƣ theo định luật Boyle – Mariotte áp
suất buồng chứa tăng lên Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này, ví
dụ máy nén khí kiểu pittơng, bánh răng, cánh gạt
Nguyên lý động năng : khơng khí đƣợc dẫn vào buồng chứa, áp suất khí nén đƣợc tạo động bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động tạo lƣu lƣợng cơng suất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý
này, ví dụ máy nén kiểu li tâm
b/ Phân loại:
(8)1- BỘPHẬN NÉN KHÍ
2- BÌNH CHỨA KHÍ
3- RỜ- LE ÁP SUẤT
4- VAN AN TOAØN 6-ĐỒNG HỒ ÁP LỰC
5- QUẠT LÀM MÁT
8- VAN XẢ
7- BỘLỌC
* Máy nén khí áp suất thấp p < 15 bar
* Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar
* Máy nén khí áp suất cao p ≥ 300 bar
- Theo nguyên lý hoạt động:
* Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích:
Máy nén khí kiểu pít - tơng, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít
* Máy nén khí tua - bin:
Máy nén khí kiểu ly tâm máy nén khí theo chiều trục
1.6 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittơng :
Đây dạng loại máy nén khí Việc nén khí thực cách hút khí vào nén thể tích khí nằm piston vỏ xy lanh
Máy nén khí piston cấp hút đƣợc lƣu lƣợng đến 10 m3/phút
áp suất nén bar, số trƣờng hợp áp suất lên 10 bar Máy nén khí piston hai cấp nén đến áp suất 15 bar, loại máy nén khí piston ba, bốn cấp nén đến áp suất 250 bar
Hình 1.2 Ngun lý máy nén khí kiểu pittơng
Hình 1.3 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittơng
(9)- Nơi ngƣng tụ nƣớc giúp cho khí nén cung cấp cho hệ thống đƣợc khô
Van an tồn:
- Để bảo đảm áp lực khí nén bình chứa khí khơng vƣợt q áp lực cho phép
- Khi áp lực tăng giới hạn điều chỉnh, lò xo bị nén lại để khí nén ngồi khơng khí
Quạt làm mát:
Thổi khơng khí vào cánh tản nhiệt phận nén khí nhằm làm mát phận nén khí
Đồng hồ áp lực:
Để thị áp lực khí nén bình chứa khí
Bộ lọc:
- Nhằm làm khơng khí trƣớc đƣa vào phận nén khí - Lõi lọc đƣợc làm mút, giấy
Van xả:
Để xả nƣớc ngƣng tụ bình chứa khí
* Một số máy nén khí kiểu pittơngđƣợc sử dụng thực tế:
(10)1.6.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt:
Máy nén khí cánh gạt sử dụng rotor lệch tâm với cánh gạt trƣợt theo hƣớng hƣớng tâm để nén khí Khơng khí vào buồng tạo cánh gạt, rotor vỏ máy nén khí, thể tích buồng đƣợc nới rộng hình thành thể tích buồng lớn Khi cánh gạt quay tiến đến cửa ra, khí đƣợc nén lại thể tích buồng chứa ngày nhỏ
Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động MNK kiểu cánh gạt
1.6.4 Máy nén khí kiểu trục vít:
Máy nén khí trục vít vận hành với rotor xoắn ốc ăn khớp với Khi rotor bên trái quay theo chiều kim đồng hồ, rotor bên phải quay ngƣợc chiều kim đồng hồ Khi rotor quay cƣỡng khí bên buồng đƣợc nén lại với theo hƣớng dọc trục Nhƣ khí vào cổng cổng đối diện theo hƣớng dọc trục
Hình 1.6 Ngun lý hoạt động máy nén khí kiểu trục vít
1.7.THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN
Khí nén đƣợc tạo từ máy nén khí có chứa đựng nhiều chất bẩn bao gồm
(11)1.7.1. Các cấp độ xử lý khí nén :
Hình 1.7 Các cấp độ xử lý khí nén
1.7.2 Các phƣơng pháp xử lý khí nén:
Hệ thống làm lạnh khơng khí – bình ngƣng tụ:
Khí nén sau khỏi máy nén khí đƣợc dẫn vào bình ngƣng tụ Tại khí nén đƣợc làm lạnh phần lớn lƣợng nƣớc chứa khơng khí đƣợc ngƣng tụ tách
Hình 1.8 Xử lý khí nén khơng khí
(12)Nguyên lý hoạt động thiết bị sấy khô chất làm lạnh nhƣ sau: khí nén từ máy nén khí qua phận trao đổi nhiệt khí – khí Tại dịng khí nén vào đƣợc làm lạnh sơ
Sau đƣợc làm lạnh sơ bộ, dịng khí nén vào phận trao đổi nhiệt khí – chất làm lạnh Quá trình làm lạnh đƣợc thực cách: dịng khí nén đƣợc đổi chiều ống dẫn nằm thiết bị Nhiệt độ hoá sƣơng +20C Nhƣ lƣợng nƣớc dịng khí nén vào đƣợc tạo thành giọt nhỏ
Hình 1.9 Sấy khơ chất làm lạnh
Thiết bị sấy khô hấp thụ:
Sấy khơ hấp thụ trình vật lý trình hố học
Q trình vật lý: chất sấy khô hay gọi chất háo nƣớc hấp thụ lƣợng nƣớc khơng khí ẩm hai bình sấy khơ
(13)bằng q trình hố học thƣờng NaCl
Hình 1.11 Sấy khơ hấp thụ hóa học
1.7.3 Bộ lọc :
Ở phần giới thiệu số phƣơng pháp xử lý khí nén cơng nghiệp Tuy nhiên số lĩnh vực, ví dụ dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khí nén số hệ thống điều khiển đơn giản khơng thiết phải thực nhƣ
Đối với hệ thống nhƣ thế, thiết phải dùng lọc, gồm phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu
Bộ lọc khí nén
Van lọc có nhiệm vụ tách thành phần chất bẩn nƣớc khỏi khí
nén Có hai ngun lý thực hiện:
- Chuyển động xốy dịng áp suất khí nén van lọc
- Phần tử lọc xốp làm chất nhƣ: vải dây kim loại, giấy thấm ƣớt,
(14)qua xoắn kim loại, sau qua phần tử lọc, tùy theo yêu cầu chất lƣợng khí nén mà chọn loại phần tử lọc có loại từ m đến 70 m Trong trƣờng hợp yêu cầu chất lƣợng khí nén cao, vật liệu phần tử lọc đƣợc chọn sợi thủy tinh có khả tách nƣớc khí nén đến 99 Những phần tử lọc nhƣ dịng khí nén chuyển động từ ngồi
Hình 1.12 Ngun lý làm việc van lọc ký hiệu
Hình 1.13 Phần tử lọc
Van điều chỉnh áp suất có cơng dụng giữ cho áp suất khơng đổi có thay đổi bất thƣờng tải trọng làm việc phía đƣờng dao động áp suất đƣờng vào
(15)đƣờng tăng lên so với áp suất đƣợc điều chỉnh, khí nén qua l thơng tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua l xả khí ngồi Đến áp suất đƣờng giảm xuống với áp suất đƣợc điều chỉnh, kim van trở vị trí ban đầu
Để giảm lực ma sát, ăn mòn rỉ sét phần tử hệ thống điều khiển khí nén, thiết bị lọc có thêm van tra dầu Nguyên tắc tra dầu đƣợc thực theo nguyên lý Ventury: (hình 1.15)
Hình 1.15 Nguyên lý tra dầu ventury
Theo hình : điều kiện để dầu qua ống Ventury độ sụt áp p phải lớn áp suất cột dầu H Phạm vi tra dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có lƣu lƣợng khí nén
1.8 THIẾT BỊ PHÂN PHỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 1 8.1 Khái quát chung:
Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ vận chuyển khơng khí nén từ máy nén khí đến thiết bị sử dụng Truyền tải khơng khí nén đƣợc thực hệ thống ống dẫn khí nén Ở hệ thống đƣờng ống dẫn đƣợc lắp cố định
Yêu cầu hệ thống thiết bị phân phối khí nén đảm bảo áp suất P, lƣu lƣợng Q chất lƣợng khơng khí nén cho thiết bị tiêu thụ
Việc lựa chọn tiết diện ống dẫn nhƣ cách bố trí mạng khí nén cần phải đƣợc trọng để đảm bảo tính kinh tế nhƣ yêu cầu sử dụng Yêu cầu tổn thất áp suất hệ thống không đựơc lớn 1par, cụ thể
(16)- Tổn thất áp suất thiết bị sử
lý khí nén (tách nước, bình ngưng…) 0,1 par - Tổn thất áp suất thiết bị lọc 0,6 par
Hình 1.16 Sơ đồ nguồn cung cấp
1.8 Bình trích chứa khí nén
Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân cân áp suất khí nén từ máy én khí chuyển đến, trích chứa ngƣng tụ, tách nƣớc
Kích thƣớc bình trích chứa phụ thuộc cơng suất máy nén khí cơng suất tiêu thụ thiết bị máy móc sử dụng, ngồi cịn phụ thuộc vào phƣơng pháp sử dụng khí nén
Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp khơng gian thống, để thực đƣợc nhiệm vụ nhƣ vừa nêu ngƣng tụ tách nƣớc khí nén
Hình 1.17 Các loại bình trích chứa a Loại bình trích chứa th ng đứng
b Loại bình trích chứa nằm ngang
(17)- Mạng cố định (ví dụ mạng khí nén nhà máy).
- Mạng di động (mạng khí nén dây chuyền s n xuất).
*) Mạng l p ráp cố định
Khi l p đ t thiết kế mạng khí nén cần ph i quan tâm thông số sau: - Lưu lư ng: Phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, vận tốc dịng chảy lớn
thì tổn thất nhiều
- ận tốc d ng ch y: Đƣợc chọn nằm khoảng vận tốc từ đến 10
m/s Vận tốc dòng chảy qua cút nối tăng lên, vận tốc tăng tức thời
vận hành thiết bị
- Tổn thất áp suất: Tổn thất đƣờng ống cho phép 0.1 cho
phép sai số áp suất yêu cầu Nếu hệ thống có lắp cút nối tổn
thất tăng lên Để xác định tổn thất cút nối, van ta tra theo bảng sau (b ng
3.1):
ng 1.1: Hệ số cản phụ tùng nối tính theo chiều dài ống dẫn
PH T NG N I
CHI U D I ĐƢ NG NG D N TƢƠNG ĐƢƠNG (m)
ng kính ống dẫn (mm)
25 40 50 80 100 125 150
an kiểu màng
mỏng 1,2 2,0 4,5 10
an khoá 10 15 25 30 50 60
an mở
phần 10 15 20 25
an ch n 0,3 0,5 0,7 1.5 2,5
(18)ộ cong R d 0,3 0,5 0,6 1,5 2,5
ộ cong R 2d 0,1
5
0,2
5 0,3 0,5 0,8 1,5
ng nối T 10 15 20
ng nối thu nhỏ 0,5 0,7 2,5 3,5
Trong thực tế để xác định thông số cho mạng đƣờng ống lắp ráp cố
định ngƣời ta dùng biểu đồ sau (Hình 1.9):
Hình 1.18 iểu đồ phụ thuộc thông số đư ng ống cố định í dụ: - Áp suất yêu cầu p = bar
- Chiều dài ống dẫn L = 200 m
- Lƣu lƣợng qv = 170 lít/s
- Tổn thất áp suất cho phép p = 0.1 bar
(19)- Mạng đƣờng ống lắp cố định nhà máy thƣờng đƣợc lắp dạng vòng
trịn (hình 1.8).
Hình 1.19 Sơ đồ mạng khí nén cố định nhà máy, l p kiểu v ng tr n
1.9 THIẾT BỊ CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi lƣợng khí nén thành
lƣợng học
Cơ cấu chấp hành thực chuyển động thẳng (xylanh)
chuyển động quay (động khí nén)
1.9.1 Xilanh:
Xilanh tác động đơn đƣợc cung cấp khí nén từ phía tạo hành trình làm việc theo chiều Hành trình ngƣợc lại Piston đƣợc thực lị xo Việc xác định kích cỡ lị xo tùy thuộc kiểu đƣa Piston (hay về) vị trí khởi động cách nhanh chóng
(20)Trong xi lanh có lị xo hồi vị, hành trình Pittong hàm theo chiều dài lị xo Thơng thƣờng hành trình không 100 mm
Loại đƣợc sử dụng cho công việc đơn giản: đẩy vào, đẩy ra, nâng lên, đƣa chi tiết vào, cung cấp chuyển động
Độ kín khít đƣợc bảo đảm vật liệu nhựa d o vật liệu mềm đƣợc lắp vào Piston kim loại Chuyển động mép Pittong chuyển động trƣợt kín bề mặt trụ xi lanh
Thứ hai loại xi lanh mà lị xo thực hành trình làm việc, cịn khí nén thực hành trình ngƣợc lại Thƣờng trƣờng hợp ngƣời ta sử dụng
khí nén để dừng, hãm (xe t i, xe con, toa xe) để bảo đảm chắn phanh
hãm
Xilanh kiểu màng
Màng cao su, nhựa d o hay kim loại, đảm nhận vai trò Pittong Cần Pittong đƣợc cố định trung tâm màng, khơng có đệm kín Hành trình đƣợc thực tính đàn hồi vật liệu màng
Hình 1.21 Xilanh tác động đơn (loại màng)
Hành trình Pittong có tác động khí nén Sử dụng trƣờng hợp địi hỏi phải có chuyển động hai chiều có điều khiển Độ kín xi lanh Pittong đƣợc bảo đảm nhờ có đệm mép Pittong màng