Bài giảng chương 4 phần tử khí nén

Các hệ thống khí nén được sử dụng trong công nghiệp thường được cung cấp bởi khí nén hoặc khí trơ nén. Máy nén khí đặt ở vị trí trung tâm và máy phát điện cung cấp cho các xy lanh, động cơ không khí và các thiết bị khí nén khác. Một hệ thống khí nén được điều khiển bằng van điều khiển bằng tay hoặc tự động được lựa chọn khi nó cung cấp chi phí thấp hơn, linh hoạt hơn hoặc an toàn hơn động cơ điện và thiết bị truyền động. Khí nén học cũng có ứng dụng trong nha khoa, xây dựng, khai thác mỏ, và các khu vực khác.

CHƯƠNG 4:

CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

II VAN ÁP SUẤT

III VAN ĐẢO CHIỀU (VAN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG/VAN PHÂN PHỐI)

V VAN TIẾT LƯU

IV VAN CHẮN

VI VALVE GROUPS: Rơ le thời gian, rơ le áp suất, bộ đếm bằng khí nén,

Bộ khuyếch đại áp suất

I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ TỔNG QUÁT

VIII BÀI TẬP CHƯƠNG 4

VII BẢNG KÝ HIỆU CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN

I HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN TỔNG QUÁT

ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

(Cơ cấu chấp hành - Actuator)

(Cơ cấu tác động) (OUPUT)

NGUỒN NĂNG LƯỢNG

KHÍ NÉN

Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén

II VAN ÁP SUẤT (Pressure Control Valves)

• Van an toàn

• Van tràn

• Van giảm áp

Công dụng và nguyên lý hoạt động:

có nhiệm vụ giữ áp suất lớn nhất mà hệ thống

có thể tải Khi áp suất lớn hơn áp suất cho phép

của hệ thống, thì dòng áp suất khí nén sẽ thắng

lực lò xo và như vậy khí nén cửa P sẽ theo cửa R

thoát ra ngoài không khí

Ký hiệu

Công dụng và nguyên lý hoạt động:

của van tràn tương tự như van an toàn Nhưng

chỉ khác ở chổ là khi áp suất ở cửa P đạt được

giá trị xác định, thì cửa P sẽ nối với của A, nối

với hệ thống điều khiển

Ký hiệu

1 Van an toàn:

2 Van tràn:

I VAN ĐIỀU CHỈNH ÁP SUẤT (Van giảm áp)- Pressure Control Valves

Ký hiệu

a Công dụng: Giảm áp suất theo yêu cầu tại cửa ra và ổn định áp suất p 2

b Nguyên lý:

Tổn thất áp suất phụ thuộc vào tiết diện A X chảy qua

van Tiết diện càng lớn, tổn thất nhỏ (tức là p2 lớn)

Tiết diện A X thay đổi được bằng chỉnh lò xo bởi vít

điều chỉnh

Khi có sự thay đổi bất thường của tải trọng (áp suất)

ở phía đường ra (P2) tăng lên,

p = p1 – p2

Tổn thất áp suất:

Khí nén đi từ cửa vào P1 qua cửa P2 bằng tiết diên Ax:

Giá trị áp suất P2 hiển thị bởi áp kế

cơ cấu màng nâng lên

dòng khí nén qua lỗ trên cơ cấu màng thoát ra ngoài

10

40 80 120 lbf/in 2

bar

Khi áp suất P2 giảm xuống và bằng giá trị đặt ban

đầu, màng sẽ hạ xuống và giá trị áp suất P2 không

đổi.

Xem Video minh họa:

https://drive.google.com/file/d/1-áp kế

Nguyên tắc giữ áp suất p2 không đổi:

Khi có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra p 2 , ví dụ p 2 tăng,

dòng khí đẩy màng xuống và khí được xả ra ngoài qua cửa 3 Khi p 2 giảm xuống, màng

được nâng lên về vị trí ban đầu.

Màng

Ký hiệu

III VAN ĐẢO CHIỀU (Van điều khiển hướng/Van phân phối)

(Configurable directional valves)

Van đảo chiều (Van điều hướng) có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng khí nén bằng cách

đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của dòng năng lượng khí nén (xi lanh).

Thay đổi hướng: khí cửa 2 về 3 Thay đổi hướng: khí cửa 1 lên 2

Ký hiệu

b Công dụng: thay đổi hướng dòng khí nén

2 Nguyên lý hoạt động van đảo chiều (van điều khiển hướng)

Số cửa trên thân van: Số cửa của van đảo chiều

Nòng van (lõi van/ thanh trượt) dịch chuyển: Vị trí của van

Xem Video minh họa:

https://drive.google.com/file/d/1sVIRjKMSblCzfT7JMNTDtBZJYam_XYq1/view?usp=sharingCác van được miêu tả bằng các thông số về: số cổng (cửa), số vị trí, vị trí thông thường của nó (vị trí không làm việc) và phương thức tác động

3 Ký hiệu mũi tên và cửa nối trong van đảo chiều (van điều khiển hướng)

a Ký hiệu dịng khí nén: Bên trong ơ vuơng của mỗi vị trí là các đường thẳng cĩ hình mũi tên, biểu diễn hướng chuyển động của dịng khí nén qua van

Trường hợp dịng khí nén bị chặn được biểu diễn bằng dấu gạch ngang.

12 (Y) Cửa nối điều khiển

3(R)

1(P) 5(S)

Cửa 1 nối với cửa 2

Cửa nối điều khiển 14 (Z)

Cửa 1 nối với cửa 4

Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn

Cửa 1 nối cửa 4

Cửa 2 thơng cửa 3

Cửa 1 nối cửa 2

Tín hiệu tác động dịch chuyển

nịng van ơ bên trái 12(X) Tín hiệu tác động dịch chuyểnnịng van ơ bên phải 14 (Y)

Cửa 4 thơng cửa 5 1(P) nối nguồn khí

b Ký hiệu các cửa nối van đảo chiều

Cửa van Ký hiệu theo ISO 5599 Ký hiệu theo ISO 1219

Cửa nối với nguồn

(từ bộ lọc khí)

a o b

0 1

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

 Đối với van có hai vị trí, thì vị trí "không“ có thể là "a"

hay "b", thông thường vị trí bên phải là vị trí "không".

Van hai trạng thái không có một vị trí ưu tiên và giữ

nguyên ở một trong hai vị trí cho đến khi có một trong

hai xung tín hiệu tác động

4 Ký hiệu vị trí van đảo chiều (Van điều khiển hướng)

 Vị trí "o" được ký hiệu là vị trí mà khi chưa có tác động

của tín hiệu ngoài vào Thông thường van 1 phía tác động

lò xo, vị trí "o" là ô nằm bên phải kề lò xo. Những van có

lò xo hồi là van một trạng thái Chúng có một vị trí ưu

5 Ký hiệu và tên gọi van đảo chiều (Van điều khiển hướng)

Van đảo chiều 3/2

Van đảo chiều 5/2

Van đảo chiều 8/2

Van đảo chiều 6/2Van đảo chiều 5/3

Van đảo chiều 2/2

Số vị trí

Số cửa

Hai thông số đầu tiên trong ký hiệu của van như là: 5/2, 3/2, 2/2 vv Số thứ nhất cho biết

số cửa (cổng) và số thứ hai cho biết số vị trí.

6 Ký hiệu trạng thái van đảo chiều (Van điều khiển hướng)

Van đảo chiều 2/2 thường mở Vị trí ”0” khí nén nguồn 1

nối cửa 2

Van đảo chiều 3/2 thường đóng Vị trí ”0” khí nén nguồn

1 chặn Cửa 2 nối về cửa xả 3 (ống giảm thanh).

Van đảo chiều 3/2 thường mở Vị trí ”0” khí nén nguồn 1

nối cửa 2 Cửa 3 bị chặn (ống giảm thanh).

Van đảo chiều 4/2 Vị trí ”0” khí nén nguồn 1 nối cửa 2

Cửa 4 nối về cửa xả 3.

7 Ký hiệu tín hiệu tác động (điều khiển) van đảo chiều

a Ký hiệu tín hiệu tác động (điều khiển) van đảo chiều bằng tay

b Ký hiệu tín hiệu tác động (điều khiển) van đảo chiều bằng cơ (công tắc hành trình, đầu

Loại tín hiệu tác động lên van được biểu diễn hai phía, bên trái và bên phải của ký hiệu Có nhiều

loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm van thay đổi vị trí làm việc của con trượt van

c Ký hiệu tín hiệu tác động (điều khiển) van đảo chiều bằng khí nén tác động trực tiếp

hoặc gián tiếp qua van phụ trợ (pilot)

gián tiếp qua van phụ trợ (pilot) kết hợp tác động bằng tay

1 2

12

8.1 Van đảo chiều 2/2: đóng, mở dòng khí nén

Ký hiệu

8 Minh họa Van đảo chiều (van điều khiển hướng)

- Khi chưa có tín hiệu tác động (điều khiển) bằng khí nén vào cửa 12, khí nén

cửa 1 không nối cửa 2, vị trí hình a.

- Khi có tín hiệu tác động (điều khiển) bằng khí nén vào cửa 12, khí nén cửa 1

nối cửa 2, vị trí hình b.

8.2 Van đảo chiều 3/2 : thay đổi chiều khí nén

b Khi có tín hiệu tác động (điều khiển) bằng khí nén vào cửa 12, khí nén cửa 1 nối với 2,

cửa 3 bị chặn, vị trí hình b.

a Chưa có tín hiệu 12, cửa nguồn 1 bị chặn, cửa 2 nối cửa xả 3, vị trí hình a.

Ký hiệu

b Ký hiệu thường đóng

Tín hiệu tác động (điều khiển) bằng cơ (con lăn) kết hợp với khí nén để dịch chuyển nòng van 3/2 gọi

là điều khiển gián tiếp – pilot.

8.3 Van đảo chiều 3/2 : Công tắc hành trình điều khiển gián tiếp

a Ký hiệu thường mở

Nòng van Chốt

Con lăn

a Khi con lăn tác động (đè lên), chốt hạ xuống, khí nén cửa 1 qua chốt, đẩy nòng van đi xuống, cửa 1

nối cửa 2, cửa 3 bị chặn Trường hợp này gọi là công tắc hành trình 3/2, điều khiển gián tiếp, thường

mở - Hình a.

b Khi con lăn tác động (đè lên), chốt hạ xuống, khí nén cửa 1 qua chốt, đẩy nòng van đi xuống, cửa

1 bị chặn, cửa 2 nối cửa 3 Trường hợp này gọi là công tắc hành trình 3/2, điều khiển gián tiếp,

thường đóng - Hình b.

Đây là loại van có vị trí "không", tại vị trí này cửa 1 nối với cửa 2, cửa 3 nối với cửa 4 -hình a 8.4 Van đảo chiều 4/2: Tín hiệu tác động (điều khiển) bằng đầu dò

Khi đầu dò bị tác động sẽ đẩy nòng van đi xuống, đè lên vòng đệm và làm cho cửa 1 nối với cửa 4, cửa 2 nối với cửa 3 - Hình b.

1

2

3 4

• Không có vị trí “0", van có đặc điểm là duy trì "nhớ" vị trí van khi không còn tín hiệu tác động Nghĩa là khi có tín hiệu tác động khí nén 12, cửa nguồn khí 1 nối với cửa 2, cửa 4 nối với cửa xả 5, cửa 3 bị chặn Khi ngắt tín hiệu tác động 12, thì vị trí van vẫn không thay đổi (duy trì) cho đến khi

có tín hiệu tác động 14 thì van mới chuyển sang vị trí 2 (hình phía dưới), lúc này làm cho cửanguồn khí 1 nối với cửa 4, cửa 2 nối với cửa xả 3, cửa 5 bị chặn

8.5 Van đảo chiều 5/2: tác động (điều khiển) cả 2 phía bằng khí nén

Ký hiệu

Tín hiệu tác động (điều khiển) bằng khí nén cửa 12 và 14

Van đảo chiều 5/3, vị trí giữa các cửa bị chặn

Van đảo chiều 5/3, vị trí giữa các cửa 1,4, 2 nối nhau

Van đảo chiều 5/3, vị trí giữa cửa 1 bị chặn, cáccửa 4-5, cửa 2-3

Ký hiệu

8.6 Van đảo chiều 5/3: cả 2 phía điều khiển bằng khí nén

9 Cấu trúc cơ bản van đảo chiều (van điều khiển hướng)

Van trượt kiểu ống: Nòng van (thanh trượt/lõi van) hình trụ trượt dọc theo thân van vuông góc với

hướng dịch chuyển của dòng khí Tín hiệu tác động để thay đổi 2 vị trí nòng van (thanh trượt/lõivan): 1 phía phải là cuộn coil điện, phía bên trái là lò xo Các vòng đệm (gioăng) làm kín được lắp trên nòng van (lõi van), nó được giữ đúng vị trí là nhờ các rãnh

Gioăng phớt kim loại trong

Gioăng phớt trong lõi van điều hướng

So sánh gioăng phớt cao su và gioăng phớt kim loại trong lõi van điều hướng:

IV VAN CHẮN (Shutoff Valves)

5 Van xả khí nhanh (Quick exhaust valve)

Ký hiệu

1 Van một chiều

Chiều ngược lạiB vềA khí nén bị chặn, do lực lò xo ép lên mặt tựa (viên bi).

Van chắn gồm các loại sau:

1 Van một chiều (spring loaded check valve)

2 Van một chiều điều khiển được hướng chặn (spring loaded check valve

with pilot control)

3 Van logic OR (shutlle valve)

4 Van logic AND (two pressure valve)

Đây là loại van có tác dụng chỉ cho khí nén đi qua một chiều từ Aqua B

F lò xo

Các van một chiều được tích hợp trong các thiết bị điều khiển tốc độ và các thiết bị tự làm kín

2 Van một chiều điều khiển được hướng chặn (spring loaded check valve with pilot control)

a Nguyên lý hoạt động:

ký hiệu

Khi khí nén chảy từ Aqua B,

van thực hiện theo theo nguyên

lý của van một chiều

Nhưng khi khí nén chảy từ B qua

A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoàitác động vào cửa X

5 Van xả khí nhanh (Quick Exhaust Valve)

Khi dòng khí nén đi từ cửa 1, áp suất khí nén đẩy cơ cấu chắn (ký hiệu viên bi) sang trái chắn

cửa 3, như vậy khí nén từ cửa 1 qua cửa 2 - hình a, tương ứng xi lanh lùi về.

Ký hiệu

Hình b.

khi dòng khí nén từ cửa 2, sẽ đẩy cơ cấu chắn sang phải, như vậy cửa 1 bị chặn lại và khí nén

từ cửa 2 nối với cửa 3 (cửa xả) - hình b, tương ứng xi lanh đi tới với vận tốc lớn.

Trường hợp ngược lại:

Van này cho phép tốc độ hành trình xả của piston đạt cực đại bằng việc xả trực tiếp khí trong buồng xi lanh qua cổng của nó với lưu lượng dòng chảy lớn, thay vì xả qua đường ống và van.

V VAN TIẾT LƯU (Flow Control Valves)

b Nguyên lý: Lưu lượng q v dòng chảy qua van (khe hở) phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện

chảy A X , khi các hệ số khác coi là hằng số.

1 X

V

p 2.

.A

q

ρ

Δ ε

Áp suất trước và sau khe hở

Khối lượng riêng khí

Như vậy nếu vận tốc của xi lanh v thay

đổi, thì phải thay đổi lưu lượng q v, vì

diện tích piston A = const.

Bằng vít điều chỉnh bằng tay, thì tiết diện chảy A x

thay đổi, như vậy lưu lượng q v thay đổi.

Tiết lưu được cả 2 chiều: A qua B và B về A.

2 Van tiết lưu 1 chiều (One-way flow control valve)

ký hiệu

Tiết lưu được chiều: từAqua B, vì dầu chỉ đi qua tiết diện AX

Chiều từ B qua Akhông tiết lưu đươc, vì khí nén qua van 1 chiều

a Kết cấu: gồm cụm 2 phần tử: van tiết lưu 2 chiều lắp song song với van 1 chiều.

b Nguyên lý hoạt động:

c Phân loại theo chiều tiết lưu :

- Meter out: Điều chỉnh (tiết

Nhiệt không sinh ra

trong buồng xi lanh

A X

van 1 chiều

A B

A

B

VI VALVE GROUPS

1 Rơ le thời gian bằng khí nén (Time delay)

Ký hiệu

a Kết cấu: gồm cụm 3 phần tử: van tiết lưu 1 chiều, bình trích chứa, van đảo chiều 3/2.

Như vậy khí nén xét tại thời điểm vào cửa 12 và khí nén ra cửa 2 cóthời gian T trễ.

Khi có khí nén vào cửa 12, khí nén qua van tiết lưu 1 chiều, cần thời gian T để điền đầy bình trích

chứa Sau khi điền đầy, khí nén tác động vào van 3/2, để cửa 1 nối vớicửa 2

2

12

T

bình trích chứa

tiết lưu 1 chiều

van đảo chiều 3/2

Biểu đồ thời gian T

b Nguyên lý hoạt động:

thời gian T

Video minh họa:

https://drive.google.com/file/d/1ceFplXpPlVDq6tsuH79RW3D_nFSsBYxx/view?usp=sharing

d Rơle nhả chậm (ngắt chậm) theo chiều dương (Time Delay valve , normally open)

c Rơ le đóng chậm theo chiều dương (Time Delay valve, normally closed)

A X

A X

a Kết cấu: gồm cụm 2 phần tử: van áp suất điều khiển từ xa, van đảo chiều 3/2.

2 Rơ le áp suất bằng khí nén (Pressure sequence valve)

van áp suất đảo chiều 3/2

b Nguyên lý hoạt động:

Khi có tín hiệu áp suất vào cửa 12 và đủ áp suất p yêu cầu (có thể từ một nguồn khí nén khác)

sẽ tác động vào van đảo chiều 3/2, như vậy khí nén cửa số 1 sẽ nối với cửa số 2- Hình b

Như vậy áp suất khí nén p cửa 12 đạt yêu cầu, thì cửa 2 mới có khí nén.

3 Bộ đếm bằng khí nén (Pneumatic Counter)

Ký hiệu

a Kết cấu: gồm cụm 2 phần tử: Phần tử đếm - số 5 (ký hiệu), van đảo chiều 3/2.

Khi có tín hiệu xung khí nén đếm vào cửa 12(Y), phần tử đếm sẽ hoạt động đếm đủ số xung khí nén yêu cầu Sau đó sẽ tác động vào van đảo chiều 3/2, để khí nén cửa số 1(P) sẽ nối với cửa số 2(A).

Phần tử đếm van đảo chiều 3/2

b Nguyên lý hoạt động:

P(1) Nối nguồn khí

A(2) Tín hiệu ra có khí nén, khi đếm xong

Y (12) Tín hiệu xung khí nén đếm

4 Bộ tăng áp (bộ khuyếch đại) khí nén – Hãng SMC – Nhật bản

b Nguyên tắc: Dựa vào phương trình đẳng nhiệt: p1 V1 = p2 V2

a Chức năng:

✓ Dùng để tăng áp suất cấp cho máy lên 2 lần, tối đa 4 lần

✓ Không cần cấp nguồn điện

✓ Phụ kiện đi kèm: đồng hồ đo áp suất (In – Out), bộ giảm thanh

Xem Video minh họa:

5 Video minh họa nguyên lý hoạt động các phần tử của Hệ thống điều khiển khí nén

Xem Video 01 minh họa:

https://drive.google.com/file/d/1lBEREl9PCKqgNIpIDlG7grqg3onkunCB/view?usp=sharinghttps://drive.google.com/file/d/1-H4JmubYoS-YWv_ejwiz0RvM0BbGTkWM/view?usp=sharing

https://drive.google.com/file/d/1ZlFc3_Y-1.Bộ lọc và ký hiệu 2 Đồng hồ đo áp suất (áp kế) và ký hiệu

1 xy lanh tác động một chiều, ký hiệu. 2 Xy lanh tác động hai chiều, ký hiệu

3 xy lanh quay, ký hiệu

4 xy lanh không trục, ký hiệu.

I SUPPLY ELEMENTS

1 Máy nén khí và ký hiệu

II CƠ CẤU CHẤP HÀNH (ACTUATORS)

VII BẢNG KÝ HIỆU CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN – Hãng SMC

PHẦN TỬ NHẬN TÍN HIỆU (INPUT ELEMENTS) III VALVES

PHẦN TỬ XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN (PROSSESING and OUTPUT ELEMENTS)

1 Van 5/2: 1 phía lò xo và ký hiệu.

10 Rơ áp suất và ký hiệu.

9 Rơ le thời gian và ký hiệu.

10 2

1

Thiết kế và mô phỏng 06 mạch điều khiển bằng khí nén theo yêu cầu, xem Slide 38 - 43.

a Phần gợi ý: Cho các phần tử khí nén trong mạch.

b Nhiệm vụ: Nối dây và điều chỉnh phần tử khí nén theo yêu cầu và mô phỏng trên phần mềm:

Simulation Pneumatics FluidSim 4.2 ( Khi mô phỏng cho hiển thị State Diagram)

c Lưu ý: Sau khi mô phỏng xong, mạch hoạt động Sinh viên thực hiện:

1 Copy dưới dạng Object “mạch khí nén và State Diagram” trong FluidSim

2 Chuyển sang Word và dán vào

3 Lưu bài tập làm được dưới dạng File Word hay PDF

VIII BÀI TẬP CHƯƠNG 4

Ví dụ 01: Thiết kế mạch điều khiển khí nén với yêu cầu sau:

• Tác động vào nút ấn hoặc bàn đạp để điều khiển xy lanh tác động hai chiều đi ra chậm,

XI LANH A

Position mm Designation Quantity v alue

Phần gợi ý: Các phần tử khí nén trong mạch:

Ví dụ 02: Thiết kế mạch điều khiển khí nén với yêu cầu sau:

• Tác động đồng thời vào nút nhấn và bàn đạp để điều khiển xy lanh tác động hai chiều đi ra

S2

2

1 3 S2

2