Giáo trình công nghệ khí nén thủy lục ứng dụng (nghề công nghệ ô tô cao đẳng) tổng cục dạy nghề

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

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI

TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

GIÁO TRÌNH

Môn học: Công nghệ khí nén - thuỷ

lực ứng dụng

LỜI 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 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

Nhóm biên soạn

Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực 66

CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHÍ NÉN - THỦY LỰC ỨNG DỤNG

Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc

Mục tiêu của môn học:

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

+ Giải thích đầy đủ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng khí nén và thủy lực

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

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

+ Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, tỉ mỉ

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT

- Giải thích được các quy luật truyền dẫn của khí nén

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

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

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

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

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

Bên cạnh các chất lỏng thủy lực như nước và dầu, khí nén 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 nén Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

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

đã biết tạo ra khí nén, 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 nén 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 nén mới lại có được vai trò xứng đáng của nó trong sản xuất Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí nén 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 nén 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 niệm

1.1.1.1 Khái niệm

Là hệ thống truyền động lấy không khí từ môi trường ngoài, nén lại truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

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

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

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

- Máy nén 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 nén và hiếm khi sử dụng

* Máy nén kiểu piston

Máy nén pít tông (hình 1.1) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất đến 500 m3/phút Máy nén 1 pít tông có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ có thể đến 10 bar; máy nén kiểu pít tông hai cấp có thể nén 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 Cấu 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 quạt (Rotary compressors)

Nguyên lý hoạt động của máy nén 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 nén Sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy

Hình 1.4 Máy nén khí kiểu cánh gạt 1.1.1.3 Phân phối khí nén

a Phân phối khí nén

Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khí nén 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 nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, chú ý đối với hệ thống ống dẫn 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 nén ngoài tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn đúng các thông số của hệ thống ống dẫn ( đường kính ống, vật liệu ống); cách lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phẫn 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 nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén của máy nén 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 nén khí, công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng vàphương pháp sử dụng khí nén

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

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

- Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q=v.F) Vận tốc dòng chảy càng lớn, tổn thất áp suất trong ống càng lớn

- Vận tốc dòng chảy: vận tốc dòng chảy của khí nén trong ống dẫn nên chọn là từ 6 ÷ 10 m/s Vận tốc của dòng chảy khi qua các chỗ lượn cua của ống hoặc nối ống, van, những nơi có tiết diện nhỏ lại sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng chảy sẽ tăng lên nhất thời khi các thiết bị hay máy móc đang vận hành

- Tổn thất áp suất: tốt nhất không vượt quá 0.1 bar Thực tế sai số cho phép 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 dẫn l’ của các phụ kiện nối

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

1.1.1.4 Xử lý khí nén

Khí nén được tạo ra từ máy nén 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 nén nhiệt độ của khí nén tăng lên, có thể gây ra ô xy hóa một số phần tử của hệ thống Do đó việc xử lý khí nén cần phải thực hiện bắt buộc Khí nén không được xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng hoặc gây trở ngại tính làm việc

của các phần tử khí nén Đặc biệt sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển đòi hỏi chất lượng khí nén rất cao Mức độ xử lý khí nén 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)

Hình 1.8 Van lọc 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 Phía 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 nén 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 nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mòn và sự gỉ (hình 1.10)

Hình 1.10 Van dầu

1.1.2 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén

1.1.2.1 Ưu điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

− Tính đồng nhất năng lượng giữa phần I và P ( điều khiển và chấp hành) nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện

− 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 nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

− Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén 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 kém vì cồng kềnh so với điện tử , chỉ điều khiển theo chương trình có sẵn Khả năng điều khiển phức tạp kém

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

− Lực truyền tải trọng thấp

− Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn

− Không điều khiển được quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng

1.1.2.3 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén

Hệ thống truyền động khí nén gồm có các bộ phận để chuyển đổi năng lượng khí nén, 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 nén, lưu giữ và phân phối khí nén… Các bộ phận chuyển đổi năng lượng khí nén gồm: các máy nén khí (biến năng lượng cơ học thành áp năng tích lũy trong khí nén), các động cơ và xi lanh khí nén (biến năng lượng tích lũy trong khí nén 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 nén 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 số của khí nén

1.1.3.1 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

1.1.3.2 Áp suất

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

- Pascal (Pa) là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với 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

1.1.3.5 Công suất

- Đơn vị công suất là Watt

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

1.2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG KHÍ NÉN

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

kJ/kg.K kJ/kg.K

Áp suất hằng số Thể tích hằng số

1.2.1.2 Các phương trình tính toán

* Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:

V

p abs

.

= Hay:

2

2 2 1

1

1

T

V p T

V

p abs abs

= 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

2

1 =

ρ ρ

2

T

T ρ

p T

1 2

1 2 1 2

.

.

ρ = Thể tích riêng của không khí:

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 nén hay giãn nở không có nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau:

p1.v1 k

2 2

1

) ( )

k k

T

T v

v p

p

Diện tích mặt phẳng 1, 2, 5, 6 trong hình 1.11 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:

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 nén lượng không khí (Ví dụ trong máy nén 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 nén 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

p

Quá trình đẳng nhiệt: n = 1

3

p p

V

V2

1 2

1

Hình 1.11 Biểu đồ đoạn nhiệt

* Phương trình dòng chảy:

- Phương trình dòng chảy liên tục:

Lưu lượng khí nén 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

- Phương trình Becnully:

Phương trình Becnully được viết như sau:

ρ ρ

2 2

2 2 1

1

2

1

2

2

p

m =

ρ : Áp năng

g: Gia tốc trọng trường

ρ: 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= α.ε.A1 2ρ1∆p [kg/s]

Hay

1 1

2

ρ ε

A1 [m2]: Diện tích mặt cắt của khe hở

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

ρ1: Khối lượng riêng của không khí

1.2.2 Các định luật cơ bản của dòng chất khí

1.2.2.1 Định luật pascal

Hình 1.12 Mô tả định luật pascal

Áp suất trong chất lỏng kín có thể được xem là đồng nhất trong toàn bộ

hệ thống, thực tế có sự chênh lệch do áp lực cột nước ở những độ cao khác nhau Nhưng thường không đáng kể so với áp suất vận hành hệ thống, áp suất

bằng nhau này gọi là định luật pascal

Trên (hình 1.13) với lực 5 kgf tác dụng vào piston diện tích 2 cm2, lực này tạo ra áp suất 2.5 kgf/cm2 tại mọi điểm trong chất lỏng và tác dụng lực bằng nhau lên khắp diện tích vách hệ thống

Lực tác dụng lên vách bình: F=P.A

F=5

kg

Tác dụng lên diện tích A=2cm2

Tạo ra áp suất p=2.5kgf/cm2

diện tích bình =1.5cm2 lực =37.500kgf

Diện tích đáy =100cm2 lực =250kgf

Giả sử đáy bình bên trái có diện tích 100cm2, tổng lực tác dụng lên đáy bình là 250 kgf Nếu diện tích đỉnh bình bên phải là 150.000 cm2 thì lực hướng lên trên bình bên phải rất lớn là 37500 kgf

Vì vậy, có thể dùng dòng chất lỏng kín để khuếch đại lực Đối với khí nén trong bình kín ở trạng thái ổn định có thể áp dụng tương tự

1.2.2.2 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 nén 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 1.4 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

Khi vận tốc lưu động 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

1.2.2.3 Định luật chất khí

Trong thực tế, chất lỏng được dùng trong hệ thống thủy lực có thể được xem là không nén được và không nhạy với sự thay đổi nhiệt độ Trong khi đó 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

Hình 1.13 Mô phỏng dòng chảy môi chất

được nén 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)

Áp suất và thể tích quan hệ theo định luật Boyle (hình 1.15), với thể tích khí V1 ở áp suất P1 được nén đến thể tích V2 kết quả áp suất sẽ tăng lên P2

P1.V1=P2.V2

Nhiệt độ của chất khí được xem là không đổi trong suốt quá trình nén

Sự giảm áp suất sẽ dẫn đến tăng thể tích và ngược lại

Trong thực tế, chất khí khi nén luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ và sự giảm áp suất sẽ làm cho nhiệt độ giảm xuống Nếu tăng nhiệt độ từ T1 đến T2

1

1

T

V P T

V P

Công suất: N = p.Q (khí nén)

Vận tốc: v = N/Ft(cơ cấu chấp hành)

Cụ thể:

*Một số xilanh, động cơ khí nén thường gặp:

- Xilanh tác dụng đơn (tác dụng một chiều)

- Xilanh tác dụng hai chiều (tác dụng kép)

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

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

- Xilanh quay bằng thanh răng

- Động cơ khí nén 1 chiều, 2 chiều

1.3.2 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

Hình 1.15: Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 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 nén), 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 hiệu 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 cữa 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 P và R, 2 vị trí "0" và

"1" Vị trí "0" cửa P 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 P 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 nén 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 P, A và R, có 2 vị trí "0" và "1" Vị trí "0" cửa P 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 P 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 nén lò xo

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

- Tại vị trí "0" cửa P bị chặn, cửa A nối với R Khi dòng điện vào cuôn dây, pittông trụ bị kéo lên, khí nén sẽ theo hướng P1, 12 tác động lên pittông phụ, pittông phụ bị đẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa P nối với A, cửa R bị chặn Khi dòng điện mất đi, pittông trụ bị lò xo kéo xuống

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

Hình 1.19 Van đảo chiều 3/2

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 P 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 P nối với cửa A, cửa B nối với cửa R

d Van đảo chiều 5/2

- Tín hiệu tác động bằng cơ - đầu dò

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

châm điện qua van phụ trợ

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 P nối với cửa A và cửa R bị chặn

Vị trí b, cửa A nối với cửa R và cửa P 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 P nối với cửa A và cửa B nối với

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

c Van đảo chiều xung 4/2

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

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

1.3.4 Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng khí

1.3.4.1 Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi

1.3.5 Van điều chỉnh thời gian

1.3.5.1 Rơle thời gian đóng chậm

Khí nén 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 P nối với cửa A

1.3.5.2 Rơle 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

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

2.1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

2.1.1 Nhiệm vụ

Biến thế năng của khí nén ở dạng áp suất (P) 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 nén được tạo ra từ những máy nén 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 dẫn khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ sét trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống khí nén phải được xử lý Tùy thuộc vào phạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể

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

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

- Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí nén để lọai bỏ hầu hết lượng nước lẫn bên trong Giai 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

2.2.1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền động

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển và các phần tử

2.2.1.3 Biểu đồ trạng thái

- Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử

- 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 nét 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

- Biểu đồ trạng thái

2.2.2.2 Điều khiển theo thời gian

- Biểu đồ trạng thái

- Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động

- Biểu đồ trạng thái

2.2.2.3 Điều khiển theo hành trình

- Biểu đồ trạng thái

2.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ

Hiện nay máy nén khí là các sản phẩm kỹ thuật đồng bộ và hiện đại, có các chức năng kiểm tra, điều chỉnh và điều khiển thông minh Máy nén khí có thể được sử dụng ở dạng tĩnh tại hoặc di động Áp suất được tạo ra từ máy nén, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc của động cơ đốt trong

được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

2.3.1 Máy nén khí loại rô to

- Có hai loại máy nén khí kiểu roto thường được sử dụng:

+ Máy nén khí kiểu cánh quay

+ Máy nén khí kiểu trục vít

2.3.1.1 Máy nén khí kiểu cánh quay

Máy nén cánh quay là một máy thủy tĩnh có tỷ số nén xác định theo cấu trúc Nhờ bố trí rô to lệch tâm mà thể tích giới hạn bởi cánh quay và stator được nén lại khi quay rô to Kết cấu nhỏ gọn và chuyển động liên tục của rô

to cho phép tần số quay cực đại đạt đến 3000vM/ph

a Cấu tạo

Hình 2.2 Cấu tạo máy nén kiểu roto một cấp

1- Thân máy; 2- Nắp máy; 3- Mặt bích đầu trục; 4- Rô to; 5- Cánh quay

Trên hình 2.2 giới thiệu cấu tạo máy nén khí cánh quay một cấp, bao gồm: thân máy 1; nắp máy 2; mặt bích đầu trục 3; stator 4; rô to 5 và cánh quay 6 Khi rô to quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh quay văng ra theo các rãnh trên rô to tựa đầu mút ngoài vào stator Quá trình hút và nén được thực hiện theo sự thay đổi thể tích giới hạn giữa các cánh quay và mặt tựa stator

b Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 2.3) bao gồm: thân máy (1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục Trục và rôto