Giáo trình Công nghệ khí nén thủy lực ứng dụng (Nghề Công nghệ ô tô Cao đẳng)

Bên cạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự động 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

B Ộ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

T ỔNG CỤC DẠY NGHỀ

GIÁO TRÌNH Môn học: Công nghệ khí nén - thuỷ

lực ứng dụng NGHỀ: CÔNG NGHỆ Ô TÔ

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ

(Ban hành kèm theo Quy ết định số:120/QĐ - TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013

c ủa Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề )

Hà N ội - 2012

TUYÊN B Ố BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo nghề và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

Mã tài liệu: MH 13

L ỜI GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã giúp cho có sự thay đổi vượt bậc trong cuộc sống của con người Bên

cạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự động 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, đặc biệt trong ngành chế

tạo máy và kỹ thuật ôtô, các máy công trình thì truyền động thủy lực khí nén đang có một vai trò đáng kể do có mật độ công suất cao, kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao và đặc biệt là việc bố trí các phần tử tự do và linh động theo không gian và van điều khiển, có chi phí công suất nhỏ là những ưu điểm nổi bật của công nghệ truyền động khí nén thủy lực Với những ưu điểm như vậy, nên ở nước ta hiện nay đã có rất nhiều máy móc sử dụng truyền đồng 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 được một số kiến thức cơ bản về truyền động 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 được dựa trên sự kế thừa nhiều tài

liệu của các trường đại học và cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên các trường dạy nghề trong cả nước Để giúp cho người học có thể nắm được những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khí nén, nhóm biên soạn đã sắp xếp môn học theo từng chương theo thứ tự:

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

Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén

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

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

Kiến thức trong giáo trình được biên soạn theo chương trình khung của

Tổng cục Dạy nghề, sắp xếp logic và cô đọng Do đó người đọc có thể hiểu

một cách dễ dàng các nội dung trong chương trình

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi sai sót, tác

giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để lần xuất bản sau giáo trình được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2012

Tham gia biên so ạn

1 ThS Phạm Tố Như Chủ biên

2 ThS Nguyễn Đức Nam Đồng chủ biên

3 ThS Hà Thanh Sơn Thành viên

4 ThS Vũ Quang Huy Thành viên

5 ThS Phạm Ngọc Anh Thành viên

6 ThS Nguyễn Thành Trung Thành viên

7 ThS Phạm Duy Đông Thành viên

8 ThS Đoàn Văn Năm Thành viên

9 ThS Ngô Cao Vinh Thành viên

10 ThS Đinh Quang Vinh Thành viên

11 ThS Hoàng Văn Thông Thành viên

12 ThS Hoàng Văn Ba Thành viên

13 ThS Nguyễn Thái Sơn Thành viên

14 CN Vũ Quang Anh Thành viên

15 ThS Nguyễn Xuân Sơn Thành viên

16 ThS Lê Ngọc Viện Thành viên

17 ThS Nguyễn Văn Thông Thành viên

18 ThS Dương Mạnh Hà Thành viên

19 CN Hoàng Văn Lợi Thành viên

20 CN Trần Văn Đô Thành viên

Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực 68

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHÍ NÉN - THỦY LỰC ỨNG DỤNG

Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc

- Ý nghĩa: giúp cho sinh viên có kiến thức cơ bản về thủy lực khí nén, góp

phần vào học các môn chuyên môn được tốt hơn, nâng cao hiệu quả học tập

- Vai trò: môn học trang bị cho sinh viên những khái niệm, kiến thức cơ

bản về thủy lực khí nén để ứng dụng vào các môn học chuyên môn, ứng dụng vào

thực tế

II Mục tiêu của môn học:

Trình bày được đầy đủ các khái niệm, yêu cầu và các định luật truyền d n năng lượng của hệ thống truyền động khí n n và thủy lực

iải thích đầy đủ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng khí n n và thủy lực

Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền động bằng khí n n và thủy lực

Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí n n

Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, tỉ mỉ

III Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Th ực hành Bài

t ập

Ki ểm tra*

I Khái ni ệm và các quy luật về truyền

Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại 2 2

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 5 5

Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại 3 3

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT

M ục tiêu:

- hát biểu đúng các khái niệm, yêu cầu và các thông số của truyền động bằng khí n n

- iải thích được các quy luật truyền d n của khí n n

- hát biểu đúng yêu cầu, nhiệm vụ và phân loại hệ thống truyền động bằng khí n n

- iải thích được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng khí n n

- Nhận dạng được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền động bằng khí n n

- Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén

N ội dung chính:

1.1 K HÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ NÉN

Mục tiêu:

- Trình bày được khái niệm và yêu cầu của truyền động khí n n

- Trình bày được quá trình sản xuất khí n n

- Trình bày được các thông số của truyền động khí n n

- Sử dụng được các công thức vào các bài tập tính toán có liên quan

Khái quát chung

Bên cạnh các chất lỏng thủy lực như nước và dầu, khí n n 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 động khí nén môi chất là không khí nén –

một chất “lỏng” chịu n n Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén

lại, truyền d n làm hoạt động các động cơ khí n n hoặc xy lanh khí nén và lại

thải ra môi trường

Khí n n đã được ứng dụng từ rất lâu, cách đây trên 2000 năm, người ta

đã biết tạo ra khí n n, 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 đã

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

Tuy nhiên lịch sử phát triển của kỹ thuật khí n n cũng có những bước thăng trầm Một mặt do trình độ 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 động cơ nhiệt, truyền động điện… mà mãi đến những năm gần đây kỹ thuật khí n n mới lại có được vai trò xứng đáng của nó trong sản xuất Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí n n bắt đầu cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa của các quá trình sản xuất, nhất là khi có sự tham gia của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật tính hiện đại Ngày nay khí n n đã 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 ni ệm

1.1.1.1 Khái ni ệm về hệ thống truyền động khí nén

Là hệ thống truyền động lấy không khí từ môi trường ngoài, nén lại truyền

d n làm hoạt động các động cơ khí n n hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

1.1.1.2 S ản xuất khí nén

Hệ thống điều khiển khí n n hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí

n n, nguồn khí này phải được sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy

đủ với một áp suất nhất định thích hợp cho năng lượng hệ thống

a Máy nén khí

Máy n n khí là máy có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định và tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn

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

Máy n n khí được phân loại theo áp suất hoặc theo nguyên lý hoạt động Đối với nguyên lý hoạt động ta có:

- Máy n n theo nguyên lý thể tích: máy n n pít tông, máy n n khí kiểu trục vít, máy n n cánh gạt

- Máy n n tuốc bin là được 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 điều khiển khí n n và hiếm khi sử dụng

* Máy nén kiểu piston

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

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

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

sẽ cho hiệu suất cao hơn

Hình 1.2 C ấu tạo máy nén khí kiểu trục vít

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

* Máy nén kiểu cánh gạt (Rotary compressors)

Nguyên lý hoạt động của máy n n khí kiểu cánh gạt mô tả ở hình 1.2: không khí sẽ được vào buồng hút Nhờ rôto và stato đặt lệch tâm, nên khi rôto quay chiều sang phải, thì không khí vào buồng n n Sau đó khí n n sẽ đi ra buồng đẩy

Hình 1.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt

1.1.1.3 Phân ph ối khí nén

a Phân phối khí nén

Hệ thống phân phối khí n n có nhiệm vụ chuyển không khí n n từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khí

n n cho các thiết bị làm việc, ví dụ như van, động cơ khí, xy lanh khí…

Hình 1.5 Hệ thống, thiết bị phân phối khí nén

Truyền tải không khí n n được thực hiện bằng hệ thống ống d n khí

n n, chú ý đối với hệ thống ống d n khí có thể là mạng đường ống được lắp ráp cố định (trong toàn nhà máy) và mạng đường ống lắp ráp trong từng thiết

bị, trong từng máy mô tả ở hình 1.3 Đối với hệ thống phân phối khí n n ngoài tiêu chuẩn chọn máy n n khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn đúng các thông số của hệ thống ống d n ( đường kính ống, vật liệu ống); cách lắp đặt hệ thống ống d n, bảo hành hệ thống ph n phối cũng đóng vai trò quan trọng về phương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khí nén

* Bình nhận và trích khí nén

Bình trích chứa khí n n có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí n n của máy

n n khí chuyển đến, trích chứa, ngưng tụ và tách nước trước khi chuyển đến nơi tiêu thụ

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

Bình trích chứa khí n n có thể đặt nằm ngang, nằm đứng Đường ống

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

- Tổn thất áp suất: tốt nhất không vượt quá 0.1 bar Thực tế sai số cho

ph p đến 5% áp suất làm việc Như vậy tổn thất áp suất là 0.3 bar là chấp nhận được với áp suất làm việc là 6 bar

- Hệ số cản dòng chảy: khi lưu lượng khí đi 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 đương chiều dài ống d n l’ của các phụ kiện nối

Bảng 1 Giá trị hệ số cản  tương đương chiều dài ống dẫn l

1.1.1.4 X ử lý khí nén

Hình 1.7 B ộ lọc khí

Khí n n được tạo ra từ máy n n khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở các mức độ khác nhau Chất bẩn có thể là bụi, độ ẩm của không khí hút vào, những cặn bả của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Hơn nữa trong quá trình n n nhiệt độ của khí n n tăng lên, có thể gây ra ô xy hóa một số phần tử của hệ thống Do đó việc xử lý khí n n cần phải thực hiện bắt buộc Khí n n không được xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng hoặc gây trở ngại tính làm việc của các phần tử khí n n Đặc biệt sử dụng khí n n trong hệ thống điều khiển đòi hỏi chất lượng khí n n rất cao Mức độ xử lý khí n n tùy thuộc vào từng phương pháp xử lý Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc để xử lý khí nén (hình 1.7)

Van lọc khí (hình 1.8) là làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nước chứa trong nó Khí n n sẽ tạo chuyển động xoắn khi qua lá xoắn kim loại, sau

đó qua phần tử lọc, các chất bẩn được tách ra và bám vào màng lọc, cùng với những phân tử nước được để lại nằm ở đáy của bầu lọc Tùy theo yêu cầu chất lượng của khí n n mà chọn phần tử lọc Độ lớn của phần tử lọc nên chọn từ 20µm – 50µm

Hình 1.8 Van l ọc khí nén

Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều chỉnh, mặc dù có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường ra hoặc sự dao động của áp suất ở đầu vào Ap suất ở đầu vào luôn luôn là lớn hơn áp suất ở đầu ra (hình 1.9)

Hình 1.9 Van điều chỉnh áp suất

Van điều chỉnh áp được điều chỉnh bằng vít điều chỉnh tác động lên màng kín hía trên của màng chịu tác dụng của áp suất đầu ra, phía dưới chịu tác dụng của lực lò xo sinh ra do vít điều chỉnh Bất kỳ sự tăng áp ở đầu tiêu thụ gây cho màng kín dịch chuyển chống lại lực căn của lò xo vì vậy hạn chế dòng khí đi qua miệng van cho tới lúc có thể đóng sát

Khi khí n n được tiêu thụ, áp suất đầu ra giảm, kết quả là đĩa van được

mở bở lực căn lò xo lực Để ngăn chặn đĩa van dao động chập chờn phải dùng đến lò xo cản gắn trên đĩa van

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

Hình 1.10 Van d ầu 1.1.2 Yêu c ầu về hệ thống truyền động bằng khí nén

1.1.2.1 Ưu điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

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

− Khả năng quá tải lớn của động cơ khí

− Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật

− Tuổi thọ lớn

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

nổ, và bảo đảm môi trường sạch vệ sinh

− Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí

n n nhỏ và tổn thất áp suất trên đường d n ít

− Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí

n n nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nền truyền động có thể đạt được vận tốc rất cao

1.1.2.2 Nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

− Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử

− Khả năng lập trình k m vì cồng kềnh so với điện tử , chỉ điều khiển theo chương trình có sẵn Khả năng điều khiển phức tạp k m

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

− Lực truyền tải trọng thấp

− Dòng khí n n thoát ra ở đường ống d n gây tiếng ồn

1.1.2.3 Yêu c ầu về hệ thống truyền động bằng khí nén

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

- Kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng sửa chữa

- Tuổi thọ và độ kín khít giữa các bộ phận lắp ghép phải đảm bảo

- Có độ an toàn cao, giá thành rẻ

1.1.3 Các thông s ố của khí nén

1.1.3.1 Thành ph ần hóa học của không khí

Khi hệ thống khí n n hoạt động, máy n n khí sẽ hút không khí ngoài khí quyển và đẩy vào hệ thống Như vậy môi chất mang năng lượng trong hệ thống chính là không khí Thành phần hóa học của không khí khô có thể tham khảo trên bảng 2

Bảng 2 Thành phần hoá học của không khí

N 2 O 2 Ar CO 2 H 2 Ne.10-3 He.10-3 Kr.10-3 X.10-6 Thể tích

1.1.3.2 Lực

- Đơn vị của lực là Newton (N) 1 Newton là lực tác động lên đối trọng

có khối lượng 1kg với gia tốc 1 m/s2

1 N = 1 kg.m/s2

1.1.3.3 Áp suất

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

- ascal ( a) là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N)

Q lưu lượng của dòng chảy

A Tiết diện của dòng chảy

v Vận tốc trung bình của dòng chảy

- Đơn vị công suất là Watt

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

- Trình bày được các đại lượng vật lý cơ bản của khí n n

- Trình bày được các phương trình tính toán trong truyền động khí n n

- Trình bày được các quy luật truyền d n bằng khí n n

1.2.1 Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén

1.2.1.1 Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí

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

1 Khối lượng riêng n 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 đoạn nhiệt K 1,4

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

7 Độ nhớt động  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 động học

iả thiết khí n n trong hệ thống gần như là khí lý tưởng hương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí n n:

V

p abs

 Hay:

2

2 2 1

1

1

T

V p T

V

Khối lượng không khí m được tính theo công thức:

- Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có:

abs

abs

p

p m

m

1 2

p T

1 2

1 2 1 2

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 đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình n n hay giãn nở không có nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau:

p1.v1k = p2.v2k= hằng số

2

1 1

2 2

1  ( )  ( )k

k k

T

T v

v p

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 để n n lượng không khí (Ví dụ trong máy n n 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 để n n 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 được quá trình đẳng nhiệt hay đoạn nhiệt Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình:

p1.v1n = p2.v2n= hằng số Hay 1

1

2 1

2 2

T

T v

v p

3 p p

V

V2

1 2

1

Hình 1.11 Bi ểu đồ đoạn nhiệt

* Phương trình dòng chảy:

- hương trình dòng chảy liên tục:

Lưu lượng khí n n chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi (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

1

2

2

2

p

 : Áp năng

g: ia tốc trọng trường

: 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 được tính như sau:

qm=   A1 2 1p [kg/s]

Hay

1 1

2

A1 [m2]: Diện tích mặt cắt của khe hở

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

1: Khối lượng riêng của không khí

1.2.2 Các định luật cơ bản của dòng chất khí

1.2.2.1 Lưu lượng lưu chất

Hệ thống khí nén và thủy lực đều liên quan với dòng lưu chất đi qua ống Lưu lượng thường có 3 định nghĩa:

- Lưu lượng thể tích: được dùng để đo thể tích lưu chất đi qua một điểm

trong một đơn vị thời gian Nếu chất lỏng là chất khí có thể n n được, nhiệt

độ và áp suất phải được định rõ hoặc lưu lượng được tiêu chuẩn hóa với nhiệt

độ và áp suất chuẩn Lưu lượng thể tích là số đo thông dụng trong điều khiển quá trình

- Lưu lượng khối: đo khối lượng lưu chất đi qua một điểm trong một

đơn vị thời gian

- Lưu tốc (tốc độ lưu động): đo tốc độ thẳng qua một điểm đo Lưu tốc

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

Trên hình 1.13 minh họa các dạng lưu động của lưu chất, với vận tốc lưu động đủ thấp, dòng chảy êm và thẳng với vận tốc thấp ở vách và cao nhất

tại tâm ống, trạng thái này được gọi là chảy tầng

Hình 1.13 Mô ph ỏng dòng chảy môi chất

Khi vận tốc dòng khí tăng lên, các cuộn xoáy bắt đầu hình thành cho đến khi vận tốc đủ lớn sẽ xuất hiện các dòng chảy rối hoàn toàn, lúc này vận

tốc lưu động gần như đồng nhất qua mặt cắt ống, trạng thái này gọi là chảy

rối

1.2.2.2 Định luật chất khí

a Khi nhi ệt độ không khí trong quá trình nén không đổi (T = const), thì:

abs V = const (Định luật Boy Mariotte)

Hình 1.14 : Mô tả định luật Boy Mariotte

Hình 1.14 mô tả quá trình này Đây là nguyên lý cơ bản của các máy nén khí

b Khi áp suất được giữ không đổi (P = const), thì:

chất khí trong hệ thống khí nén rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ và áp suất, được xác định bằng các định luật chất khí

Trong các biểu thức này, áp suất được xem là áp suất tuyệt đối, nhiệt độ

là độ K, chẳng hạn nếu lấy một lít không khí ở áp suất khí quyển và 200C được n n đến áp suất đo là 3at, nghĩa là áp suất đầu là 1at và nhiệt độ là 293K, áp suất cuối là 4at (tuyệt đối)

hoặc chuyển động quay (động cơ khí n n) Ở trạng thái làm việc ổn định, thì

khả năng truyền năng lượng có phương pháp tính toán giống thủy lực

Ví dụ:

Công suất: N = p.Q (khí n n)

Vận tốc: v = N/Ft(cơ cấu chấp hành)

Cụ thể:

*M ột số xilanh, động cơ khí nén thường gặp:

- Xilanh tác dụng đơn (tác dụng một chiều)

- Xilanh tác dụng hai chiều (tác dụng k p)

- Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh được

- Xilanh quay bằng thanh răng

- Động cơ khí n n 1 chiều, 2 chiều

1.3.2 Van đảo chiều

Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng năng lượng

1.3.2 1 Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều

Khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3) Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12) (khí n n), 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 động vào cửa (12) mất đi, dưới tạc dụng của lực lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu

1.3.2.2 Ký hi ệu van đảo chiều

Chuyển đổi vị trí của nòng van được 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" được ký hiệu là vị trí, mà khi van chưa có tác động của tín hiệu ngoài vào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí "0", còn đối 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 được 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 điều khiển 12, 14, X, Y,

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

Hình 1.16 Ký hiệu các cửa của van đảo chiều

Một số van đảo chiều thường gặp:

Hình 1.17 Các loại van đảo chiều 1.3.2.3 Các tín hiệu tác động

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

có tác dụng vào nòng van, thì lò xo tác động giữ vị trí đó

Tác đông phía đối diện của van, ví dụ: tín hiệu tác động bằng cơ, bằng khí nén hay bằng điện giữ ô vuông phía trái của van và được ký hiệu "1'

a Tín hiệu tác động bằng tay

b Tín hiệu tác động bằng cơ

c Tín hiệu tác động bằng khí nén

d Tín hiệu tác động bằng nam châm điện

1.3.2.4 Van đảo chiều có vị trí "0"

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

a Van đảo chiều 2/2:

Tín hiệu tác động bằng cơ -đầu dò Van có 2 cửa và R, 2 vị trí "0" và

"1" Vị trí "0" cửa và R bị chặn

Nếu đầu dò tác động vào, từ vị trí "0" van sẽ được chuyển đổi sang vị trí "1", như vậy cửa và R sẽ nối với nhau Khi đầu dò không tác động nữa, thì van sẽ quay trở về vị trí ban đầu (vị trí "0") bằng lực n n lò xo

Hình 1.18 Van đảo chiều 2/2

b Van đảo chiều 3/2:

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

sẽ quay về vị trí ban đầu (vị trí "0") bằng lực n n lò xo

Hình 1.19 Van đảo chiều 3/2

- Ký hiệu:Tín hiệu tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ

- Tại vị trí "0" cửa bị chặn, cửa A nối với R Khi dòng điện vào cuôn dây, pittông trụ bị k o lên, khí n n sẽ theo hướng 1, 12 tác động lên pittông phụ, pittông phụ bị đẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa nối với A, cửa R bị chặn Khi dòng điện mất đi, pittông trụ bị lò xo k o xuống

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

c Van đảo chiều 4/2:

Tín hiệu tác động bằng tay - bàn đạp

Tín hiệu tác động trực tiếp bằng nam châm điện

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

d Van đảo chiều 5/2

- Tín hiệu tác động bằng cơ - đầu dò

Ký hiệu:

Hình 1.20 Van đảo chiều 3/2 tác động bằng nam

châm điện qua van phụ trợ

Tại vị trí "0" cửa nối với cửa B, cửa A nối với R và cửa S bị chặn Khi đầu dò tác động, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa nối với cửa

A, cửa B nối với cửa S và cửa R bị chặn

- Tín hiệu tác động bằng khí n n

Tại vị trí "0" cửa nối với cửa A, cửa B nối với R và cửa S bị chặn Khi dòng khí nén Z tác động vào, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa nối với cửa B, cửa A nối với cửa S và cửa R bị chặn

1.3.2.5 Van đảo chiều không có vị trí "0"

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

Tín hiệu tác động lên nòng van có thể là:

a Van đảo chiều 3/2

Tín hiệu tác động bằng tay, được ký hiệu:

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

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

b Van xoay đảo chiều 4/3

Tín hiệu tác động bằng tay, được ký hiệu:

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

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

c Van đảo chiều xung 4/2

Tín hiệu tác động bằng dòng khí n n điều khiển đi ra từ 2 phía nòng van

Khi xả cửa X, nòng van sẽ dịch chuyển sang vị trí b, cửa nối với với cửa A và cửa B nối với cửa R Khi cửa X ngừng xả khí, thì vị trí cửa nòng van

v n nằm ở vị trí b cho đến 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 điều khiển cùng một lúc

ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển

Ký hiệu:

Khi dòng khí qua P1 P1 bị chặn Ngược lại dòng khí qua 2  P2 bị chặn Nếu dòng khí đồng thời qua 1, P2  cửa A sẽ nhận được tín hiệu  khí qua A

1.3.3 4 Van xả khí nhanh

Van xả khí nhanh thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành (pittông), có nhiệm vụ xả khí nhanh ra ngoài

Ký hiệu:

1.3.4 Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng khí

1.3.4.1 Van ti ết lưu có tiết diện không thay đổi

1.3.5 Van điều chỉnh thời gian

1.3.5.1 R ơle thời gian đóng chậm

Khí n n qua van một chiều, cần thời gian t1 để làm đầy bình chứa, sau

đó tác động lên nòng van đảo chiều, van đảo chiều chuyển đổi vị trí, cửa nối với cửa A

1.3.5.2 R ơle thời gian ngắt chậm

Rơle thời gian ngắt chậm, nguyên lý, cấu tạo cũng tương tự như rơle thời gian đóng 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 được tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lý ống venturi

ưu tiên của tương lai

- Trình bày được nhiệm vụ và yêu cầu của truyền động khí n n

- Trình bày được cách phân loại hệ thống truyền động khí n n

2.1 1 Nhiệm vụ

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

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

2.1 2 Yêu cầu

2.1 2.1 Về khí nén

Khí n n được tạo ra từ những máy n n khí chứa đựng rất nhiều chất bẩn theo từng mức độ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, hơi nước trong không khí, những phần tử nhỏ, cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Khí nén khi mang chất bẩn tải đi trong những ống d n khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ s t trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển Vì vậy, khí n n được sử dụng trong hệ thống khí n n phải được xử lý Tùy thuộc vào phạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất lượng của khí n n tương ứng cho từng trường hợp cụ thể

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

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

- hương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí n n để lọai bỏ hầu hết lượng nước l n bên trong iai đoạn 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 đầu ra đạt tiêu chuẩn

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

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

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

- Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều 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 đồ cấu tạo

2.2.1.1 Nguyên lý truyền động

- Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động,

áp suất, góc quay, ), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường n t mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên

- Xilanh đi ra ký hiệu dấu ( ), lùi về ký hiệu (-)

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

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

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

2.2.2.1 Điều khiển bằng tay

- Điều khiển trực tiếp

- Điều khiển gián tiếp