Bài Giảng Các Phần Tử Khí Nén

KHÁI NIỆM Một hệ thống điều khiển thông thường bao gồm các phần tử sau:  Nguồn : đây là nguồn khí nén với áp suất làm việc 6÷8 bar  Phần tử đưa tín hiệu vào: nhận những gía trị của tín

CÁC PHẦN TỬ

I KHÁI NIỆM

Một hệ thống điều khiển thông thường bao gồm các phần tử sau:

 Nguồn : đây là nguồn khí nén với áp suất làm việc (6÷8 bar)

 Phần tử đưa tín hiệu vào: nhận những gía trị của tín hiệu vào , cũng là phần tử đầu tiên của mạch như: nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến ,v.v…

 Phần tử xử lý tín hiệu: tín hiệu vào được xử lý theo một quy tắc logíc xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển như: Van tiết lưu, van lôgíc OR hoặc AND

 Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành như: van đảo chiều, ly hợp

 Cơ cấu chấp hành: làm thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển như: xy lanh, động cơ

II 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

Đối tượng điều khiển

Cơ cấu chấp hành

Phần tử điều khiển

Phần tử xử lý tín hiệu

Phần tử đưa tín hiệu vào

Đại lượng vào Lưu lượng Aùp suất

1 Ký hiệu

Sự chuyển đổi của nòng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau, dòng năng lượng sẽ di chuyển theo chiều của mũi tên, và sẽ bị chặn lại khi có ký hiệu chữ T

2 Van đảo chiều không duy trì 3/2

Nguyên lý hoạt động của Van đảo chiều không duy trì 3/2 như sau: Khi chưa có tín hiệu, nguồn từ cửa P sẽ bị chặn lại nơi ký hiệu T, khi có tín hiệu ở đường điều khiển 12, thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải và nguồi từ cửa P sẽ di chuyển theo chiều mũi tên đi lêïn đường A, và khi tín hiệu ở đường điều khiển 12 mất, thì do áp lực của lò xo nòng van sẽ tự di chuyển sang trái; lúc này nguồn từ cửa P sẽ thôi cấp tín hiệu

Thân van

Nòng van Lò xo

Khí đi ra

TÍN HIỆU TÁC

ĐỘNG

Tín hiệu tác động

Tổng số cổng ra/và của một vị trí

Tổng số vị trí (ô vuông)

2/2

CÁC PHẦN TỬ

3 Van đảo chiều không duy trì 5/2

Nguyên lý hoạt động của Van đảo chiều không duy trì 5/2 như sau: Khi chưa có tín hiệu, nguồn từ cử P sẽ đi theo chiều mũi tên lên cửa A , khi đường điều khiển 14 có tín hiệu thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải và nguồn từ cửa P sẽ di chuyển theo chiêu mũi tên và lên cửa B, khi tín hiệu ở đường 14 mất, thì thì do áp lực của lò xo nòng van sẽ tự di chuyển sang trái; lúc này nguồn từ cửa P sẽ di chuyển theo chiều mũi tên đi lên cửa A

4 Van đảo chiều duy trì 3/2

Nguyên lý hoạt động của Van đảo chiều duy trì 3/2 như sau: Khi chưa có tín hiệu, nguồn từ cửa P sẽ bị chặn lại nơi ký hiệu T, khi có tín hiệu ở đường điều khiển 12, nòng van sẽ dịch chuyển sang phải và nguồn từ cửa P sẽ di chuyển theo chiều mũi tên đi lêïn đường A, và khi tín hiệu ở đường điều khiển 12 mất, nòng van không tự di chuyển về vị

trí ban đầu được, nếu muốn thay đổi trạng thái thì đồng thời tín hiệu ở đường điều khiển 10 phải có và tín hiệu ở đường 12 phải mất đi, nòng van sẽ bị tác động và di chuyển sang trái; lúc này nguồn từ cửa P sẽ thôi cấp tín hiệu

Lưu ý: do hai đầu của Van đảo chiều đều có đường tín hiệu vào, do đó người ta quy ước rằng Vị trí khởi đầu của Van đảo chiều duy trì là vị trí ở ô vuông phía bên phải

14(Z)

5 Van đảo chiều duy trì 5/2

Nguyên lý hoạt động của Van đảo chiều duy trì 5/2 như sau: Khi chưa có tín hiệu, nguồn từ cửa P sẽ di chuyển theo chiều mũi tên đi lên cửa A, khi có tín hiệu ở đường điều khiển 14, nòng van sẽ dịch chuyển sang phải và nguồn từ cửa P sẽ di chuyển theo chiều mũi tên đi lêïn đường B, và khi tín hiệu ở đường điều khiển 14 mất, nòng van không tự di chuyển về vị trí ban đầu được, nếu muốn thay đổi trạng thái thì đồng thời tín hiệu ở đường điều khiển 12 phải có và tín hiệu ở đường 14 phải mất đi, nòng van sẽ bị tác động và di chuyển sang trái; lúc này nguồn từ cửa P sẽ di chuyển lên cửa A

Lưu ý: do hai đầu của Van đảo chiều đều có đường tín hiệu vào, do đó người ta quy ước rằng Vị trí khởi đầu của Van đảo chiều duy trì là vị trí ở ô vuông phía bên phải

III CƠ CẤU CHẤP HÀNH

1 Xy lanh tác động một phía

Xy lanh tác động một phía được cung cấp khí nén bởi một phía duy nhất Như vậy nó chỉ có thể cho hành trình làm việc ở một chiều duy nhất Hành trình ngược lại của piston được thực hiện bởi lò xo hoặc lực ngoài Cho nên khí nén chỉ cần thiết cho việc di chuyển ở một chiều duy nhất Sự xác định kích thước lò xo tùy thuộc kiểu có thể đưa piston đi (hay về)

vị trí khởi động một cách nhanh chóng

Trong xy lanh tác động một phía phản hồi bằng lò xo,hành trình là một hàm theo độ dài của lò xo Thường trong xy lanh tác động một phía hành trình không vượt qúa 100 mm

Như thế chỉ sử dụng chúng giới hạn trong các công việc đơn giản như: siết chặt, đẩy

ra, nâng lên, lắp vào của các chi tiết, cấp chuyển động,

CÁC PHẦN TỬ

-Xy lanh kiều piston:

Độ kín được bảo đảm bởi vật liệu nhựa dẻo hoặc vật liệu mềm được lắp vào trong piston bằng kim loại Chuyển động ở mép piston là chuyển động trượt kín trong bề mặt hình trụ của xy lanh

Điều thứ hai cần trình bày đó là loại xy lanh có lò xo thực hiện hành trình làm việc, còn khí nén được cung cấp để thực hiện hành trình ngược Thường trong trường hợp này người ta sử dụng năng lượng khí nén để dừng, hãm (sự hãm trong các xe tải, xe hơi, toa xe và nó bảo đảm một cách chắc chắn)

- Xy lanh kiểu màng

Một màng có thể là cao su, nhựa dẻo hoặc cũng có thể là kim loại đảm nhận vai trò của piston Cần của piston được cố định ở trung tâm của màng, không có đệm che kín Hành trình về của nó được thực hiện do sự phục hồi của vật liệu

- Xy lanh kiểu màng cuốn

Xy lanh kiểu màng cuốn nó có dạng kiểu màng, trong đó màng có dạng như chiếc vớ, nó làm việc theo một nguyên tắc tương tự

Ở đây người ta vẫn sử dụng một cái màng, dưới tác dụng đẩy tới của khí nén, màng này sẽ được đẩy theo hướng vào bên trong của xy lanh và đẩy cần piston theo chiều ra ngoài

2 Xy lanh tác động hai phía

Trong trường hợp này lực tác dụng bởi khí nén kích thích lên pisotn một chuyển động về một phía Một lực tác động tương tự làm di chuyển một hành trình ngược

Xy lanh tác động hai phía được sử dụng trong trường hợp đòi hỏi cần thực hiện 2 chiều có điều kiện Độ kín giữa xy lanh và piston được bảo đảm bởi các đệm ở mép của piston hoặc của màng

- Xy lanh có giảm chấn ở cuối hành trình

Ở đây khối dẩn hướng đóng vai trò quan trọng.Để tránh sự va đập và dẩn tới những

hư hỏng của các trang thiết bị trong xy lanh, người ta đã làm một hệ thống giảm chấn điều chỉnh được ở cuối hành trình của xy lanh Hệ thống này thường được thiết lập vì piston cần được giảm chấn một cách đáng kể ở hành trình Nó có một đường thoát khí với tiết diện nhỏ có thể điều chỉnh tạo nên hiệu ứng giảm chấn

CÁC PHẦN TỬ

Khí được tích trữ trong phần cuối buồng chứa của xy lanh sau mỗi lần nén Lúc bấy giờ áp suất dư phát sinh thoát qua van tiết lưu và hiệu ứng giản chấn bắt đầu (do chảy qua tiết diện nhỏ) Sự nén khí qua đường này bổ sung thêm cho việc hấp thụ một phần năng lượng, piston hãm chuyển động và đi tới chậm dần cho đến vị trí cuối của hành trình Ở lần đảo chiều chuyển động của sự di chuyển piston, khí đi vào một cách tự do trong buồng

xy lanh và đi ngang qua van một chiều

Các kiểu giảm chấn khác

 Giảm chấn không điều chỉnh được ở hai phía

 Giảm chấn không điều chỉnh được ở một phía

 Giảm chấn điều chỉnh được ở một phía

3 Cấu tạo – Tính toán một xy lanh

a Cấu tạo Một xy lanh kiểu piston được cấu thành bởi một thân, một đáy và một nắp phía cần, một piston cùng với đệm của nó (đệm kiểu đòn tay kép), một cần piston, một bạc, một đệm chắn và một số chi tiết nối cùng với các vòng đệm

Thân xy lanh (1) có cấu tạo chung là một ống thép kéo không hàn Để tăng tuổi thọ của các miếng đệm, bề mặt trượt của thân thường được mài siêu tinh Trong một số

trường hợp thân được làm bằng nhôm, đồng thanh, hoặc ống thép, lúc bấy giờ bề mặt trượt được mạ crôm Các kiểu này được sử dụng trong thực tế để bảo vệ xy lanh không bị mài mòn ở giữa Tuy nhiên xy lanh cũng không nên làm việc liên tục

Đáy (2) và nắp phiá cần (3) được đúc Đáy và nắp được liên kết với thân bằng thanh giằng, vít hoặc mặt bích

Cần piston (4) được ưu tiên chế tạo bằng thép đã gia công nhiệt Để ngăn ngừa sự rỉ thép này có chứa vài phần trăm crôm Để tránh bị gãy, phần cắt ren thường được chế tạo bằng phương pháp lăn ren Với giải pháp trên, cần piston có thể nhiệt luyện Bằng cách chạy rà người ta đồng nhất hoàn toàn các bề mặt, bề mặt của cần piston giảm bớt 1m Khi làm việc tiếp xúc với nước thì cần piston phải được mạ hoặc tôi

Để bảo đảm độ kín ở cần piston, nắp phía cần phải được trang bị một đệm có mép kín (5) Sự dẫn hướng của cần piston được bảo đảm bằng bạc (6), bạc này có thể làm bằng đồng thanh, thủy tinh hoặc kim loại được phủ một lớp vật liệu tổng hợp

Đệm kiểu đòn tay kép chắc chắn, bảo đảm độ kín của thân Vật liệu thường dùng:

CÁC PHẦN TỬ

b Tính toán

-Lực đẩy Lực đẩy sinh ra khi xy lanh hoạt động phụ thuộc vào nguồn áp suất, đường kính xy lanh và ma sát của các đệm

Lực đẩy lý thuyết được xác định theo công thức sau:

Fth = A P 



trong đó: Fth – Lực đẩy lý thuyết (N)

A – Bề mặt làm việc của piston (cm2)

P – Áp suất cung cấp (kPa, 105 N/m2 , bar/14,5 psi)

Trong thực tế có những sai số thường thấy so với những lực đẩy thật Để xác định lực đẩy thật cần tính đến những sai số nhận được do sức cản ma sát Trong những điều kiện làm việc bình thường (vùng áp suất 400 – 800 kPa/ 4-8 bar), người ta có thể giả định lực

ma sát khoảng bằng 3-20% lực lý thuyết

Lực đẩy thực tế được tính như sau:

 Xy lanh tác động đơn Fn = A P – (Fr + Ff)

 Xy lanh tác động kép

- Ở hành trình thuận: Fn = A P – Ff

- Ở hành trình nghịch : Fn = A’ P – Ff

Trong đó: Fn - Lực đẩy thực tế (N)

A – Bề mặt làm việc của piston (cm2)

A’ – Bề mặt làm việc của piston, phía có cần piston (cm2)

P – Áp suất cung cấp (kPa, 105 N/m2 , bar/14,5 psi)

FR – Lực ma sát, bằng 3 – 20% Fth (N)

FF – Lực phản hồi của lò xo (N)

D – Đường kính của xy lanh (cm)

d – Đường kính của cần piston (cm)

-Ñoô daøi cụa haønh trình

Ñoô daøi haønh trình cụa moôt xy lanh khí neùn thöôøng khođng vöôït quùa 2000 mm Khi haønh trình quaù daøi, ñöôøng kính xy lanh quaù lôùn thì vieôc öùng dúng khí neùn laø khođng kinh teâ Khi haønh trình vöôït quaù moôt gía trò giôùi hán nhaât ñònh, ñoô moûi cô hóc cụa trúc piston vaø cụa bác seõ giạm Ñeơ traùnh taât cạ nhöõng nguy cô uoân dóc, ngöôøi ta taíng ñöôøng kính cụa caăn piston leđn khi haønh trình daøi, hôn nöõa söï keùo daøi cụa haønh trình laøm taíng theđm khoạng caùch giöõa caùc cöûa vaø nhôø ñoù cại thieôn tính daên höôùng cụa caăn

- Toâc ñoô cụa piston

Toâc ñoô piston cụa moôt xy lanh khí neùn laø moôt haøm cụa söùc cạn, aùp suaât khí, ñoô daøi cụa máng löôùi phađn phoâi, tieât dieôn trong cụa caùc cô caâu phađn phoâi ñieău khieơn vaø caùc thieât

bò laøm vieôc, löu löôïng cụa caùc boô phađn phoâi ñieău khieơn Theđm vaøo ñoù, toâc ñoô coøn bò ạnh höôûng bôûi söï giạm chaân ôû cuoâi haønh trình

Thöïc chaât cụa vieôc giạm chaân cho piston ôû cuoâi haønh trình chaúng qua laø vieôc boâ trí ñöôøng thoaùt baỉng van moôt chieău coù tieât löu

Ñoâi vôùi caùc loái xy lanh, toâc ñoô trung bình cụa piston thay ñoơi trong khoạng töø 0,1 ñeân 1,5 m/s Vôùi caùc xy lanh ñaịc bieôt, toâc ñoô piston coù theơ ñát tôùi 10 m/s

Toâc doô cụa piston coù theơ ñieău chưnh ñöôïc nhôø vaøo caùc loái van ñaịc bieôt nhö van moôt chieău coù tieât löu hay van thoaùt khí nhanh (van xạ nhanh)

- Söï tieđu thú khođng khí

Ñeớ chuaơn bò moôt khoâi löôïông khođng khí caăn thieât hoaịc thoâng keđ söï toơn hao naíng löôïng thì söï tieđu thú ñuùng naíng löôïng khođng khí xạ ñaõ chuaơn bò laø ñieău quan tróng Vôùi moôt aùp suaât cung caâp xaùc ñònh, ñöôøng kính piston vaø moôt haønh trình cho tröôùc, söï tieđu thú khođng khí coù theơ tính ñöôïc nhö sau:

Tư soâ neùn Tieât dieôn beă maịt laøm vieôc cụa piston Haønh trình

Trong ñoù tư soâ neùn Pe2 / Pe1 ñöôïc tính theo cođng thöùc sau

101,3

(kPa)caâpcungsuaâtAÙp3,

101 

CÁC PHẦN TỬ

- Các công thức xác định lượng khí tiêu thụ

 Đối với xy lanh tác động một phía

 Đối với xy lanh tác động hai phía Trong đó

Q – Lượng khí nén tiêu thụ (l/ph)

S – Chiều dài hành trình (cm)

n – Số hành trình kép trong một phút

- Công thức xác định lượng khí tiêu thụ

 Đối với xy lanh tác động một phía

 Đối với xy lanh tác động hai phía

Q = 2 S n q (l/ph) với q – lượng khí tiêu thụ trên 1cm hành trình

(l/ph) nén số Tỷ 4

D n S Q

.



(l/ph) nén

số Tỷ 4

d D 4

D n S Q

2 2 2

Q 

IV CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH

Chức năng chủ yếu của công tắc hành trình là cung cấp tín hiệu khi cơ cấu(như xy lanh) đạt đến vị trí của hành trình đã định sẵn, để điều khiển như đảo chiều chuyển động, điều chỉnh tốc độ, điều khiển các bộ phận khác, v.v…

1 Công tắc hành trình tác động hai chiều

- Nguyên lý làm việc Công tắc hành trình 3/2 được nối liền với nguồn cung cấp khí qua cửa P

 Khi con lăn bị tác động, khí nén tràn về phiá màng đẩy con trượt đi xuống làm đóng đường dẫn khí giữa A và R và mở đường dẫn nối P tới A

 Khi con lăn không còn bị tác động nữa thì đường dẫn khí nén tới màng bị đóng, lò xo sẽ đẩy con trượt đi lên trở về vị trí ban đầu làm đóng cửa P, khi sẽ đi từ cửa A đến thoát ở cửa R

Bằng cách đổi chỗ các nhánh P, R và quay cần gạt con lăn đi một góc 1800 Chúng ta sẽ đổi được chức năng của van hành trình này: thường đóng hay thường mở

CÁC PHẦN TỬ

2 Công tắc hành trình tác động một chiều

Trong những mạch ở trường hợp có sự trùng tín hiệu (như một van đảo chiều tác động lần lượt hai phía, thì đối với Công tắc hành trình tác động hai chiều thì không sử dụng ; trong trường hợp này thì phải sử dụng công tắc hành trình tác động một chiều

Lưu ý khi sử dụng công tắc hành trình tác động một chiều, trong sơ đồ mạch cần phải vẽ chiều mũi tên mà cơ cấu chấp hành tác động ở phía nào !

V VAN TIẾT LƯU

Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện

Van có tác dụng điều chỉnh, tiết lưu dòng khí đi qua, tác động trên cả hai chiều di chuyển của dòng khí

 Van tiết lưu có mặt cắt không đổi

- Van tiết lưu bằng mặt cắt:ở van này có độ dài của

sự tiết lưu cao hơn đường kính tiết lưu

- Van có màng ngăn:ở van này có độ dài của sự tiết

lưu ngắn hơn đường kính tiết lưu

 Van tiết lưu có chỗ co hẹp thay đổi

- Van tiết lưu co mặt cắt điều chỉnh được

- Van tiết lưu bằng mặt cắt (dòng chảy) được điều khiển bằng cơ

khi có một phản hồi bằng lò xo

Van này tiện dụng khi lắp van tiết lưu bằng mặt cắt trực tiếp lên xy lanh

Chiều không tác động Chiều tác động

1 Van tiết lưu một chiều

Van này thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của những xy lanh khí nén

Van tiết lưu một chiều có thể lắp trực tiếp lên xy lanh khí nén Người ta phân biệt thành hai kiểu chính để điều chỉnh xy lanh tác dụng một phía bởi sự giảm lưu lượng khí

Theo chiều đóng của van một chiều, dòng khí chỉ có thể đi qua tiết diện tiết lưu Theo chiều ngược lại, dòng khí có thể di chuyển tự do qua van một chiều Như vậy dòng khí chỉ bị tiết lưu ở một chiều của dòng chảy

- Tiết lưu đường cung cấp (tiết lưu sơ cấp) Trong trường hợp tiết lưu đường cung cấp (đường vào), van tiết lưu một chiều được lắp

ở đường vào và hạn chế lượng khí cung cấp cho xy lanh Trong khi đó khi có thể thoát ra từ

xy lanh một cách tự do nhờ van một chiều Tiết lưu đường cung cấp được sử dụng ở trong các xy lanh tác động đơn và thể tích nhỏ

- Tiết lưu đường ra (tiết lưu thứ cấp)

CÁC PHẦN TỬ

Ngược lại, trong trường hợp tiết lưu đường ra, khí nén cung cấp tự do cho xy lanh và bị tiết lưu ở đường ra Thông thường trong hệ thồng khí nén, để điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành người ta sử dụng phương pháp tiết lưu đường ra

2 Van tiết lưu hai chiều

Van tiết lưu hai chiều thực hiện việc tiết lưu cả hai chiều, dòng khí nén đi từ P qua

A và ngược lại Tiết diện thay đổi bởi vít điều chỉnh

VI VAN THOÁT NHANH

Van thoát khí nhanh là thiết bị phu,ï để tăng thêm tốc độ của piston Như vậy người ta tránh được sự mất thời gian ở hành trình ngược (chạy không), nhất là những xy lanh tác động một phía

Van này bao gồm một đường ống dẫn áp suất P, một đường thoát R và một đường ra

A Khi có áp suất vào ở P, đệm dỉa che đường thoát R, khí nén đi qua A Khi áp suất bị ngắt

ở nơi P, khí đến từ A tác động lên dĩa đệm cản lại đường đến từ P, cửa P đóng kín Đường

ra của khí có thể thoát một cách trực tiếp theo chiều ra ngoài khí trời Vì thế đường ra của khí không cần đi qua một quảng đường dài và không qua ống dẫn điều khiển dẫn đến cơ cấu phân phối Van thoát khí nhanh có thể lắp trên xy lanh

VII VAN LOGIC

1 Van OR

Người ta có thể gọi van loại này là Van “hoặc” Chế độ làm việc của loại van này gồm hai cửa vào X, Y và một cửa ra A duy nhất Khi khí nén đếnø cửa vào X, thì bi di chuyển đến đóng cửa Y, khí đi từ X đến A Ngược lại, khi khí đến bằng cửa Y, nó sẽ đi đến

A và cửa vào X sẽ được đóng kín lại Lúc dòng ngược về thì viên bi vẫn còn như ở vị trí trước của nó

P

A

R