THIẾT KẾ MÁY KHOAN BẰNG KHÍ NÉN

1.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN : 1.2.1 Lĩnh vực điều khiển : - Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.. - Kỹ thuật điều kh

Chương 1 :CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

1.1 VÀI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN :

Ứng dụng khí nén có từ thời trước công nguyên Đến thế kỷ 17 , nền tảng cơ bản ứng dụng năng lượng khí nén lần lược được phát minh , đặc biệt vào những năm

70 của thế kỷ 19 ở Paris xuất hiện 1 trung tâm sử dụng năng lượng khí nén lớn với công suất đến 7350 Kw Sau chiến tranh thế giới thứ 2 , việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ Với những dụng cụ , thiết bị , phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Sự kết hợp với điện và điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai

Hãng Festo (Đức ) có những chương trình phát triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng , không những phục vụ cho công nghiệp mà còn phục vụ cho sự phát triển các phương tiện dạy học

1.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN :

1.2.1 Lĩnh vực điều khiển :

- Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

- Những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm , hay xẩy ra cháy nổ như : Các thiết bị phun sơn ; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa chất dẻo

- Các lĩnh vực đòi hỏi vệ sinh môi trường rất tốt , độ an toàn cao như :Sản xuất các thiết bị điện tử , các dây chuyền chế biến thực phẩm

- Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được ứng dụng rộng rãi từ các lĩnh vực đơn giản trong điều khiển như đóng gói , bao bì ,rửa chi tiết đến phức tạp như đo kiểm , kỹ thuật hàng không , hàng hải

1.2.2 Hệ thống truyền động :

- Các dụng cụ thiết bị máy va đập

- Truyền động quay

- Truyền động thẳng

- Trong các hệ thống đo và điều khiển

1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 1.3.1 Ưu điểm :

- Có thể trích chứa thuận lợi nhờ tính đàn hồi của khí nén

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ

- Tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

- Không cần đường dẫn khí thải

- Chi phí thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén thấp , vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn

- Hệ thống phòng ngừa áp suất quá giới hạn được đảm bảo

- Kết cấu sử dụng và điều khiển đơn giản

- Độ tin cậy làm việc cao

- Độ an toàn làm việc cao trong các môi trường dễ cháy , môi trường khắc nghiệt

1.3.2 Nhược điểm :

- Lực truyền tải trọng thấp

- Khi tải trọng hệ thống thay đổi , thì vận tốc truyền cũng thay đổi , vì khả năng đàn hồi của khí lớn ,do đó không thể thực hiện những chuyển động thẳng hoặc quay đều

- Dòng khí xả gây ra tiếng ồn Hiện nay có các thiết bị giảm thanh rất hiệu quả

- Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian khó thực hiện chính xác

Mặc dù có những hạng chế như vậy , các hệ truyền động khí nén vẫn được sử dụng rất thành công trong các lĩnh vực khi mà các nhược điểm trên không phải là quyết định hoặc được hạn chế từng phần hoặc toàn bộ

1.4 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN :

- Độ an toàn khí quá tải cao

- Sự truyền tải năng lượng , tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền thấp

- Tuổi thọ và bảo dưỡng : Hoạt động tốt cả khi quá tải nhưng đòi hỏi cao vấn đề xử lý chất bẩn

- Khả năng thay thế những phần tử thiết bị dễ dàng

- Vận tốc truyền động : Có thể đạt vận tốc rất cao

- Khả năng điều khiển lưu lượng dòng và áp suất : Đơn giản nhưng vận tốc bị thay đổi khi tải trọng thay đổi

- Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm

1.5 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN :

1.5.1 Aïp suất :

Đơn vị đo cơ bản là pascal (pa) : 1Pa = 1 N/m2

Ngoài ra còn dùng : Mpa ,bar ;

1Mpa = 10 Pa

1 bar = 105 Pa

1.5.2 Lực : Đơn vị của lực là Newton (N) : 1N = 1 Kgm/s2

Ngoài ra còn dùng : dyn , kp , Mp , p

1.5.3 Công : Đơn vị của công là Joule (J) ; 1J = 1N.m

Ngoài ra còn dùng : Kwh , Kcal

1.5.4 Công suất : Đơn vị của công suất là (W) 1W = 1N.m/s

Ngoài ra còn dùng : Kw , Kcal/h , Kcal /s

1.5.5 Độ nhớt động :

Trong khí nén độ nhớt động không có vai trò quan trọng

Đơn vị của độ nhớt động ν là m2/s

ν = ηρ

η : Độ nhớt động lực (Pas)

ρ : Khối lượng riêng (Kg/m3)

1.6 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHÍ NÉN :

1.6.1 Thành phần hoá học của khí nén :

Trong các hệ thống khí nén chất công tác là khí được nén dưới một áp suất nhất định Không khí là loại khí hổn hợp bao gồm các thành phần chính sau :

Thể

tích%

Khối

lượng%

Ngoài ra trong không khí còn có hơi nước bụi Đây là những thành phần cần phải loại trừ

1.6.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học :

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

Pabs.V = m.R.T Trong đó :

Pabs : Aïp suất tuyệt đối , đơn vị [bar]

V : Thể tích của khí nén , đơn vị [m3]

R : Hằng số khí đơn vị [J/Kg.K]

T : Nhiệt độ Kenvin đơn vị [K]

1 Định luật Boyle-mariotte :

Khi nhiệt độ không đổi , từ (1,1) , Ta có :

Pabs.V = hằng số (1.2) Gọi P1abs , V1 là áp suất và thể tích khí ở trạng thái 1 ,

P2abs ,V2 là áp suất và thể tích khí ở trạng thái 2

Ta có : P1abs.V1= P2abs.V2

⇔

1abs

2abs 2

1 P

P V

V = (1.3) Năng lượng nén và năng lượng giản nở của khí được tính theo công thức

W = P1.V1.ln

2

1 P

P

(1-4)

Sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc giữa áp suất và thể tích khi nhiệt độ không thay đổi là đường cong parabol

Hình 1.1 : Sự phụ thuộc áp suất và thể tích

Khi nhiệt độ thay đổi

2 Định luật 1 Gay-lussac :

Khi áp suất không thay đổi theo (1-1) ta có :

2

1 2

1 T

T V

V

= (1-5)

T1,V1 : Nhiệt độ và thể tích tại trạng thái 1

o

v [dm3]

4

p [bar]

4 2 8

P

T2,V2 : Nhiệt dộ và thể tích tại trạng thái 2

Hình 1.2 : Sự thay đổi thể tích

Khi áp suất thay đổi Năng lượng nén và năng lượng giãn nở của không khí được tính theo phương trình :

W = P.(V2 - V1) (1-6)

3 Định luật 2 Gay-lussac :

Khi thể tích V không thay đổi từ phương trình (1-1) ta có :

2

1 2abs

1abs T

T P

P1abs ,T1 : áp suất tuyệt đối và nhiệt độ ở trạng thái 1

P2abs,T2 : Aïp suất tuyệt đối và nhiệt độ ở trạng thái 2

Năng lượng nén và năng lượng giản nở bằng 0 ,

vì thể tích v = 0 nên :

Hình 1.3 Sự thay đổi áp suất khi thể tích là hằng số 4) Phương trình trạng thái nhiệt khi cả 3 đại lượng áp suất , nhiệt độ và thể tích thay đổi :

Theo phương trình (1-1) ta có :

số ằng

h R

= T

V

Pabs

(1-9)

hay

2

2 2abs 1

1 1abs

T

.V P T

.V

Khối lượng không khí (m) được tính theo công thức sau :

m = V.ρ (Kg) ⇒ V = mρ (1-11)

ρ : Khối lượng riêng (Kg/m3) Thay (1-11) vào (1-3) ta có

1abs 2abs 2

1 P

P m

m

= ρ

ρ

(1-11a)

Từ (1-11a) ⇒

1abs

2abs 1 2

P

P

ρ

P

P2+2

P1+2

V

Phương trình (1-12) cho thấy sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng và áp suất

P khi nhiệt độ T không thay đổi

Thay (1-11) vào (1-5) ta được :

2 1 2

1 T

T m

m

= ρ ρ

2

1 1 2

T

T

ρ

ρ =

Phương trình (1-13) biểu diễn sự phụ thuộc giữa ρ và T khi áp suất không thay đổi

Thay (1-11) vào (1-10) ta được :

1abs 2

1 2abs 1 2

.P T

.P

Ph.trình (1-14) biểu diễn sự phụ thuộc của ρvào cả 3 đại lượng thay đổi P, T, V

5 Phương trình đoạn nhiệt :

Thể tích riêng của không khí : v = mV [m3/ Kg] (1-15)

Thay (1-15) vào (1-9) ta được phương trình trạng thái của khí nén

R.T ρ.v=

R : Hằng số khí

R ≈288J/kg:K≈29,27Kg.m/Kg.0K

Nhiệt lượng riêng C là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng không khí 1 kg lên nhiệt độ 1 K

Nhiệt lượng riêng khi áp suất không thay đổi là Cp

Nhiệt lượng riêng khi thể tích không thay đổi là Cv

K = CvCp : Là số mủ đoạn nhiệt

R = Cp - Cv = Cp Cv(k 1)

k

1

Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở không có sự trao đổi nhiệt với môi trường :

Ta có : = k =

2 2

k 1

1 k k

2 1 k

1

2 2

1

T

T V

V P













=









P1.V1 =P2.V2 = hằng số

n

1 2 n

1

2 2

1

T

T V

V P













=









Quá trình đẳng nhiệt n = 1

Quá trình đẳng áp n = 0

Quá trình đoạn nhiệt n = k

Quá trình đẳng tích n = ∞

1.6.3 Phương trình dòng chảy :

1 Phương trình dòng chảy liên lục

Hình 1.4 : Dòng chảy liên tục

Lưu lượng khí nén chảy từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi , ta có phương trình dòng chảy như sau :

const A

ω A

Trong đó :

Qv1,ω1,A1 : Là lưu lượng dòng chảy , vận tốc dòng chảy và tiết diện dòng chảy tại vị trí 1

Qv2,ω2,A2 : Là lưu lượng dòng chảy , vận tốc dòng chảy và tiết diện dòng chảy tại vị trí 2

Đơn vị của : Qv1 là [m3/s]

ω là [m/s]

A là m2

Nếu tiết diện chảy là hình tròn thì :

4

π.d ω 4

π.d ω

2 2 2

2 1

d1`, d2 lần lượt là dường kính tại tiết diện chảy 1 và 2

Suy ra vận tốc dòng chảy tại vị trí 2

2 1 1 2

d ω

1

2

b) Phương trình Becnully

Theo hình 1.5 : Phương trình Becnully được viết như sau :

Hình 1.5 : Xác định phương trình Bernully Phương trình Becnully

ρ

2 2 1

1

2

m mgh 2

V m

P m mgh 2

V

Trong đó :

2

V m

2

: Động năng mgh : Thế năng

V.P

p

ρ : Năng lượng áp suất

g = 9,8 [s2

m

] : Gia tốc trọng trường

ρ : Khối lượng riêng của khí

P : Aïp suất tĩnh học

Có thể viết lại : Phương trình (1-23 ) như sau :

= +

2

.V2

Nếu chiều cao h = 0 thì ( 1-24) được viết như sau :

const P

2

V2

= + ρ

P: gọi là áp suất tĩnh học

P2

d 2

P1

V

ρ : Aïp suất động học

Như vậy áp suất toàn bộ là tổng áp suất thành phần

Pges=Pst+Pdyn

Trong đó : Pst : áp suất tĩnh học

Pdyn : áp suất động học

Pges : áp suất toàn bộ

1.6.4 Lưu lượng khí nén qua khe hở :

Để tính toán các thiết bị điều khiển khí nén được dễ dàng , ta giả thuyết như sau :

- Quá trình xẩy ra khi thực hiện trong hệ thống chậm , như vậy thời gian trao đổi nhiệt được thực hiện Quá trình xẩy ra là quá trình đẳng nhiệt

- Quá trình thực hiện trong hệ thống xẩy ra nhanh , như vậy thời gian trao đổi nhiệt không thực hiện Quá trình xẩy ra là quá trình đoạn nhiệt

Lưu lượng khối lượng qua khe hở được tính như sau :

p A

q m =α.ε 1 2.ρ1.∆ [Kg/s] (1-25)

Hoặc qr =α.ε.A1 2Δpρ'

Trong đó : α: Hệ số lưu lượng

ε: Hệ số giản nở

A1 : Diện tích mặt cắt của khe hở

A1 =

4

π.d2

(m2)

) (p1 p2

∆ : Aïp suất trước và sau khe hở [N/m2]

ρ1: Khối lượng riêng của không khí [Kg/m3]

1.6.5 Tổn thất áp suất trong hệ thống điều khiển bằng khí nén : Tính toán chính xác tổn thất áp suất trong hệ thống điều khiển bằng khí nén là vấn đề rất phức tạp Để đơn giản ta chỉ đề cập đến vận tốc dòng chảy trong ống dẫn

Vmax = 25 m/s Từ đó tổn thất áp suất của hệ thống bao gồm

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng ( ΔPR)

- Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi (∆PE)

- Tổn thất áp suất trong các loại van (ΔPV)

1 Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng ( ΔPR) :

Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng ΔPR được tính :

R

2.d

l.ρ.ρ λ

2

[N/m2]

Trong đó :

L (m) : Chiều dài ống dẫn

1,293

ρn = [Kg/m3] : Khối lượng riêng của không khí ở trạng thái tiêu chuẩn

n

abs n P

.P ρ

ρ= [Kg/m3] : Khối lượng riêng của không khí

Pn = 1,013 [bar] : Aïp suất ở trạng thái tiêu chuẩn

V [m/s] : Vận tốc của dòng chảy ( V = qv/A)

d [m ] : Đường kính ống dẫn

2 R

64

λ= : Hệ số ma sát ống ,có giá trị cho ống trơn và dòng chảy tầng ( Re< 2230)

Re =v.dϑ : Số Raynol

Vn =13,28.10-6 m2/s : Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn

Vn =13,28.10-6 m2/s : Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn

2 Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi ( ∆PE) :

Trong hệ thống ống dẫn ngoài ống dẫn thẳng còn có ống dẫn có tiết diện thay đổi , dòng khí phân nhánh hoặc hợp thành hướng dòng thay đổi Tổn thất áp suất trong những trường hợp đó được tính theo công thức :

E P

2

ρ ζ

Trong đó :

ξ : Hệ số cản phụ thuộc vào tiết diện ống dẫn , sô Re

+ Khi tiết diện thay đổi đột ngột ( hình 1.6 ) thì :

Tổn thất áp suất được tính theo công thức :

2

ρ.V A

A 1 ΔP

2 1 2

2

1

hoặc

2

ρ.V 1 A

A ΔP

2 2 2

1

2

EI = −  (N/m2] (1-26b) Với V1 ,V2 là vận tốc chảy trung bình ở tiết diện A1 và A2

Hình 1.6 : Tiết diện thay đổi đột ngột + Khi ống gảy khúc ( hình 1.7 )

Hình 1.7 : Ống gảy khúc Tổn thất áp suất :

2 E2 0,5

Trong đó hệ số cản được tra theo bảng 1.9 [1] Hệ số cản cũng phụ thuộc vào độ nhẵn và độ nhám của thành ống

+ Ống dẫn bị uốn cong ( Hình 1.8)

Hình 1.8 : Ống dẫn bị uống cong Tổn thất áp suất :

2

2

ges

trong đó hệ số cản ξges bao gồm :

Re

ξ ξ

ξges = u +

u

ξ : Hệ số cản do độ cong

ξ : Hệ số cản do ảnh hưởng số Raynol ( ma sát ống )

D

a

2

3

+ Tổn thất áp suất trong ống dẫn khí phân dòng ( Hiình 1.9)

Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh

2 z

2

a

= (1-29) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng

2 z

2

d

Trong đó VZ là vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ξa và ξd của ống dẫn khí phân dòng phụ thuộc vào tỉ lệ dia/diz và tỉ số lưu lượng qma/qmz Tra trong bảng 1.10 [1]

Hình 1.9 : Ống phân nhánh

+ Tổn thất áp suất trong ống dẫn khí hợp dòng ( hình 1.10)

Tổn thất áp suất trong ống dẫn hợp dòng qma

2 z V 2

ρ

a Ea

P =ξ

Tổn thất áp suất trong ống dẫn hợp dòng qmd

2 z V 2

ρ

d Ed

P =ξ

VZ : Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính

Hệ số cản ξa,ξd của ống dẫn khí hợp dòng phụ thuộc vào tỉ lệ dia/diz và tỉ lệ lưu lượng qma/qmz , và được cho ở bảng 1.11 [1] :

Hình 1.10 : Ống hợp dòng

qmz

qmz

qmd=qmz-qma

d

d

3 Tổn thất áp suất trong các loại van ( ∆P v) :

Tổn thất áp suất trong các loại van ( van đảo chiều , van áp suất , van tiết lưu ) Tính theo công thức

2 V 2 ρ

ξV

V

P =

Trong công nghiệp sản xuất các phần tử khí nén , hệ số cản ξV là đại lượng đặc trưng cho các van Thay vì hệ số cản ξ một số hãng chế tạo sử dụng đại lượng Kv

gọi

là hệ số lưu lượng ,là đại lượng được xác định bằng thực nghiệm KV là lưu lượng chảy của nước [m3/h] qua van ở nhiệt độ t=278÷303 (K) , với áp suất ban đầu là P1

= 6 ( bar) , tổn thất áp suất ∆P0 =0,981 (bar) và có giá trị :

KV = ∆ρP 31,6

qV

[m3/h] (1-34) Trong đó :

Qu [m3/h] : lưu lượng khí nén

ρ [Kg/m3] : khối lượng riêng không khí

P

∆ [bar] : Tổn thất áp suất qua van Hệ số cản ξV tính được

2

V

V

q V

2.g.10,18













=

v

ξ Vận tốc dòng chảy v :

v = qAV

Thay v vào phương trình (1.46) ta có :

2 2

2 6 2

3600

10 18 , 10 2

















=

V V

V V

K q

A q g

ξ

Trong đó :

A =

4

2

d

π [mm2] , tiết diện dòng chảy Thay A vào ta được :

V V

K

d2 3 , 626

1

= ξ Như vậy , nếu van có thông số đặc trưng KV ,đường kính ống nối d , thì xác định được hệ số cản qua van ξV

4 Tổn thất áp suất tính theo chiều dài ống dẫn tương đương :

Bởi vì tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng hay tổn thất áp suất trong ống dẫn thay đổi hoặc là tổn thất áp suất trong các loại van đều phụ thuộc vào hệ số V2

2

ρ , cho nên có thể tính tổn thất áp suất thành chiều dài ống dẫn tương đương

Hình 1.11 : Chiều dài tương đương l’

2

2

' V 2

ξ

d

l

Từ đó chiều dài ống dẫn tương đương

l’ = d

λ

ξ Như vậy tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn :

2 V 2 ' ρ λ

d

l l

P ges = ∑ +∑

∆

l’

l'