Xi lanh tác động đơn chỉ đƣợc cung cấp khí nén từ một phía do đĩ chỉ tạo ra hành trình làm việc theo một chiều. Hành trình ngƣợc lại của Piston đƣợc thực hiện bởi lị xo. Việc xác định kích cỡ lị xo tùy thuộc kiểu cĩ thểđƣa Piston đi (hay về) vị trí khởi động một cách nhanh chĩng.
Hình 3.1. Xi lanh tác động đơn (loại piston).
- Trong xi lanh cĩ lị xo hồi vị, hành trình của Piston là một hàm theo chiều dài của lị xo. Thơng thƣờng hành trình này khơng quá 100 mm.
- Loại này đƣợc sử dụng cho các cơng việc đơn giản: đẩy vào, đẩy ra, nâng lên, đƣa chi tiết vào, cung cấp chuyển động ...
- Độ kín khít đƣợc bảo đảm bởi vật liệu nhựa dẻo hoặc vật liệu mềm đƣợc lắp vào trong một Piston kim loại. Chuyển động ở mép Piston là chuyển động trƣợt kín trong bề mặt trụ của xi lanh.
- Thứ hai là loại xi lanh mà lị xo thực hiện hành trình làm việc, cịn khí nén thực hiện hành trình ngƣợc lại. Thƣờng trong trƣờng hợp này ngƣời ta sử dụng khí nén để dừng, hãm (xe tải, xe con, toa xe) để bảo đảm sự chắc chắn phanh hãm.
Xi lanh kiểu màng
Màng cĩ thể là cao su, nhựa dẻo hay cũng cĩ thể bằng kim loại, đảm nhận vai trị của Piston. Cần Piston đƣợc cố định ở trung tâm của màng, khơng cĩ đệm kín. Hành trình về đƣợc thực hiện bởi tính đàn hồi của vật liệu màng
35
Hình 3.2. Xi lanh tác động đơn (loại màng).
3.1.2. Xi lanh tác động kép.
Hành trình đi và về của Piston đều cĩ tác động bởi khí nén. Sử dụng trong trƣờng hợp địi hỏi phải cĩ chuyển động hai chiều cĩ điều khiển. Độ kín giữa xi lanh và Piston đƣợc bảo đảm nhờcĩ các đệm ở mép Piston hoặc của màng.
Hình 3.3. Xi lanh tác động kép (loại khơng cĩ giảm chấn).
a. Xi lanh cĩ giảm chấn ở cuối hành trình.
Thực chất của việc giảm chấn cho Piston ở cuối hành trình là sự bốtrí đƣờng thốt bằng van một chiều cĩ tiết lƣu.
Ở đây khối dẫn hƣớng đĩng vai trị quan trọng. Để tránh va đập cĩ thể dẫn tới hƣ hỏng, ngƣời ta lắp một bộ phận giảm chấn điều chỉnh đƣợc ở cuối hành trình của xi lanh. Cần cĩ bộ phận này bởi vì Piston phải đƣợc giảm chấn một cách đáng kể khi nĩ đến cuối hành trình. Bộ phận giảm chấn cĩ một đƣờng thốt khí nhỏ cĩ thể điều chỉnh đƣợc, tạo ra hiệu ứng giảm chấn.
36 Khí đƣợc tích chứa trong phần cuối buồng chứa của xi lanh sau mỗi lần nén. Lúc bấy giờ áp suất dƣ phát sinh sẽ thốt qua van tiết lƣu và hiệu ứng giảm chấn bắt đầu xảy ra (do phải đi qua tiết diện hẹp). Sự nén này của khí qua đƣờng tiết lƣu bổ sung thêm cho việc hấp thụ một phần năng lƣợng, Piston hãm chuyển động và đi tới chậm dần cho tới cuối hành trình. ởhành trình ngƣợc lại tiếp theo sau thì vì tiết lƣu là một chiều nên Piston chuyển động khơng bị hãm.
Ngồi ra cịn cĩ các kiểu giảm chấn khác:
+ Giảm chấn khơng điều chỉnh đƣợc, ở hai phía + Giảm chấn khơng điều chỉnh đƣợc, ở một phía + Giảm chấn điều chỉnh đƣợc, ở một phía của Piston.
b. Xi lanh kép nối nhau.
Hình 3.5. Xi lanh kép nối nhau (tandem).
Với xi lanh này cĩ lực tác động lên cán Piston là lực tổng của cả 2 xi lanh.
c. Xi lanh kép hai đầu địn.
Hình 3.6. Xi lanh kép hai đầu địn, cĩ giảm chấn hai đầu, điều chỉnh được.
3.1.3. Xi lanh bƣớc (nhiều vị trí).
Xi lanh bƣớc này tạo ra đƣợc nhiều vị trí dịch chuyển. Cấu tạo bao gồm 2 xi lanh kép nối với nhau. Bằng cách cấp khí vào các cửa mà ta co các vị trí khác nhau của Piston.
37 Hình 3.7. Xi lanh bước. 3.1.4. Xi lanh va đập
Hình 3.8 xi lanh va đập, nguyên lý lực tác dụng của xi lanh khí nén bị hạn chế. Vì vậy ngƣời ta sử dụng một loại xi lanh cĩ thể sinh ra lực lớn, đĩ là xi lanh va đập. Loại này tăng vận tốc của Piston lên cao khoảng 7,5 m/s đến 10,5 m/s.
Hình 3.8. Xi lanh va đập
Khi khí nén đƣợc cấp vào khoang A nĩ sẽ tác dụng lên diện tích Piston C làm cho Piston dịch chuyển theo chiều Z. Khi Piston dịch chuyển van C mở ra và khí nén tác dụng vào tồn bộđỉnh Piston sinh ra lực lớn.
3.1.5. Xi lanh quay.
Nguyên lý tạo chuyển động quay nhờ bánh răng thanh răng, gĩc quay cĩ thể là: 900; 1800; 3600. Thơng thƣờng nĩ đƣợc dùng để dẫn động các đĩa hút chân khơng kẹp giữ chi tiết hoặc hút chi tiết.
38
Hình 3.9. Xi lanh quay.
3.1.6. Xi lanh băng đai.
Loại này sử dụng băng đai và bàn trƣợt, thơng qua chuyển động của Piston sẽ kéo băng đai làm cho bàn trƣợt chuyển động qua lại. Một số xi lanh loại này cĩ thể phanh tại một vị trí nhất định nào đĩ nhờ cơ cấu phanh.
Hình 3.10. Xi lanh băng đai.
3.1.7. Xi lanh từ.
Với loại xi lanh này bàn trƣợt gắn ởphía ngồi và liên động với Piston bên trong nhờ lực từ của nam châm.
Hình 3.11. Xi lanh từ (dùng ly hợp nam châm).
* Tính tốn xi lanh.
- Tính lực đẩy của xi lanh.
Lực đẩy phát sinh khi xi lanh hoạt động phụ thuộc vào nguồn áp suất, đƣờng kính xilanh và lực ma sát của các đệm.
* Lực đẩy lý thuyết được xác định theo cơng thức sau:
p A Flt . ( 3.1) Trong đĩ: Flt - Lực đẩy lý thuyết (N) A - Diện tích bề mặt làm việc của Piston (m2) A = .D2/4
39 p - Áp suất cung cấp (Pa)
Thực tế, lực đẩy lý thuyết cĩ sai số so với lực đẩy thật. Đểxác định lực đẩy thật, cần tính đến các sai số do sức cản, ma sát. Trong các điều kiện làm việc bình thƣờng (phạm vi áp suất 400 – 800 kPa, 4 – 8 bar), cĩ thể giả định lực ma sát bằng 10% lực lý thuyết.
* Lực đẩy thực tếnhƣ sau: + Xi lanh tác động đơn: ) ( ) . ( ms lx tt Ap F F F (3.2) + Xi lanh tác động kép: - Hành trình thuận: FR (A.p)Fms - Hành trình ngƣợc: FV (A'.p)Fms Trong đĩ:
A‟ - Bề mặt làm việc của Piston, phía cán (m2): A = .(D2– d2)/4 Fms - Lực ma sát, bằng 10% Flt (N)
Flx - Lực phản hồi của lị xo (lực lị xo) (N) D - Đƣờng kính xi lanh (m)
d - Đƣờng kính cán Piston (m).
- Ví dụ tính tốn:
Các số liệu ban đầu: D = 50 mm; d = 12 mm; Fms 10%; P = 6 bar.
Tính tốn: - Tiết diện làm việc của Piston: A = 3,1416.52/4 = 19,625 (cm2) - Tiết diện bề mặt làm việc của Piston phía cĩ cần: A‟ = 3,1416.(52– 1,22)/4 = 18,5 cm2 - Lực đẩy lý thuyết hành trình tới: Flt = 19,625.104 (m2). 6.105 (N/m2) = 1177,5 N Lực ma sát: Fms = 117,75 N - Lực đẩy thực tế của hành trình tới (thuận): Ftt = 1177,5 – 117,75 = 1060 (N) - Lực đẩy lý thuyết của hành trình về(ngƣợc): Fth= A‟.P = 18,5.104(m2).6.105 (N/m2) = 1110 N Lực ma sát: Fms = 111 N - Lực đẩy thực tế của hành trình về (nghịch): Ftt = A.P.FR = 18,5.104.6.105– 111 = 999 N.
40 Thơng thƣờng ngƣời ta cĩ thểxác định lực đẩy của Piston thơng qua biểu đồ quan hệ sau:
Hình 4.12. Biểu đồxác định lực đầy của Piston.
- Độ dài của hành trình:
Độ dài hành trình của một xi lanh khí nén thƣờng khơng quá 2m. Khi hành trình quá dài, đƣờng kính xi lanh quá lớn thì việc ứng dụng khí nén sẽ khơng kinh tế. Khi hành trình vƣợt quá một giới hạn nhất định, độ mỏi cơ học của trục Piston và của bạc sẽ giảm quá độ. Để tránh mọi nguy cơ xảy ra uốn dọc, ngƣời ta tăng đƣờng kính của cần Piston lên khi hành trình dài, vả lại hành trình dài làm tăng khoảng cách giữa các cửa nhờ đĩ cải thiện tính dẫn hƣớng của cần.
Hình 3.13. Biểu đồ quan hệ giữa các thơng số của cán Piston và lực đẩy.
41 Tốc độ của một Piston xi lanh khí nén là một hàm của sức cản, áp suất khí, chiều dài mạng phân phối, tiết diện trong của các cơ cấu phân phối điều khiển và các thiết bị làm việc, lƣu lƣợng của các bộ phân phối điều khiển. Ngồi ra, tốc độ cịn bịảnh hƣởng bởi giảm chấn ở cuối hành trình.
Vận tốc trung bình của Piston thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1,5 m/s. Với các xilanh đặc biệt cĩ thể đạt tới 10 m/s.
Cĩ thểđiều chỉnh đƣợc vận tốc của Piston nhờ cĩ các loại van đặc biệt nhƣ van một chiều cĩ tiết lƣu hay van thốt khí nhanh (van xả nhanh).
- Lượng tiêu thụ khơng khí nén.
Việc chuẩn bị một lƣợng khơng khí cần thiết hay thống kê sự tổn hao năng lƣợng khí nén đúng với lƣợng khơng khí đã chuẩn bị là một việc quan trọng.
Với một áp suất cung cấp xác định, đƣờng kính Piston và hành trình cho trƣớc, sự tiêu thụ khơng khí cĩ thể đƣợc tính nhƣ sau: Lƣợng khí nén tiêu thụ = Tỷ số nén Tiết diện bề mặt làm việc Piston Hành trình số hành trình trên phút 0 0 p p p . n . S . A Q d + = (l/ph) (3.3) Trong đĩ tỷ số nén đƣợc tính theo cơng thức sau:
3 , 101 ) ( 3 , 101 ) ( 0 0 0 p kPa p kPa p pd Trong đĩ: Q : Lƣợng khí tiêu thụ trên phút (l/ph , 1 lít = 1000 cm3).
Pd: Áp suất dƣ của khơng khí (trạng thái chuẩn vật lý T = 273,15K = 00C, p =101,325 Pa = 101325 N/m2 = 1,01325 bar).
S: Hành trình của Piston (cm)
n: Số hành trình dịch chuyển trên phút (lần /ph).
- Ví dụ: Một xi lanh đơn, cĩ đƣờng kính D = 50 mm và hành trình là 120mm đƣợc
hoạt động với áp suất là 6 bar trong 100 hành trình. Hãy xác định lƣợng khí tiêu thụ của xi lanh. Giải: D = 50mm = 5 cm. S = 120 mm = 12 cm. Pd = 6 bar. n = 100 lần Áp dụng cơng thức ta cĩ:
42 bar bar bar cm cm Q 1 1 6 . 100 . 12 . 4 ) ( 5 . 14 , 3 2 164933,6cm3 / ph165l/ ph
Thơng thƣờng trong tính tốn nếu khơng cần độ chính xác cao lắm ngƣời ta dùng phƣơng pháp xác định bằng biểu đồ.
Với xi lanh đơn: Q=S.n.q Với xi lanh kép: Q=2.S.n.q Trong đĩ:
q - Lượng tiêu thụ riêng trên một cm hành trình (l/cm), nĩ được tra bảng hoặc đồ thị.
Hình 3.14. Biểu đồxác định lượng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q.
Bảng 2: Lƣợng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q.
Đƣờng kính xilanh Áp suất dƣ (bar) 4 6 8 Lƣợng tiêu thụ khí riêng q (l/cm) 12 0,006 0,008 0,01 25 0,024 0,033 0,043 35 0,047 0,066 0,084 50 0,096 0,14 0,18 70 0,19 0,26 0,34 100 0,39 0,54 0,69
43
3.2. ĐỘNG CƠ
Động cơ khí nén chuyển đổi năng lƣợng khí nén thành chuyển động quay cơ học, cĩ thể thực hiện một chuyển động quay khơng hạn chế gĩc quay và đƣợc sử dụng nhƣ một thiết bị khí nén.
Đặc điểm của động cơ khí nén:
- Cĩ thể điều chỉnh vơ cấp tốc độ quay - Kích thƣớc chốn chỗ nhỏ
- Khơng bị ảnh hƣởng bởi bụi, hơi nƣớc, nĩng lạnh ... - Chống cháy nổ tốt
- Dải tốc độ rộng
- Khơng địi hỏi bảo quản chu đáo - Quay đƣợc hai chiều thuận nghịch.
Theo cấu tạo ngƣời ta phân thành các thiết bị sau: - Động cơ kiểu bánh răng
- Động cơ kiểu Piston - Động cơ kiểu cánh gạt - Động cơ kiểu turbin