MH 13 THUY LUC KHI NEN CDN

Bêncạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự độnghóa..thì ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vịtrí quan trọng trong một số lĩnh v

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 Quyết định số:120/QĐ - TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013

của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề )

Hà Nội - 2012

được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạonghề và tham khảo.

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

Mã tài liệu: MH 13

thuật đã giúp cho có sự thay đổi vượt bậc trong cuộc sống của con người Bêncạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự độnghóa thì ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vịtrí quan trọng trong một số lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt trong ngành chếtạo máy và kỹ thuật ôtô, các máy công trình thì truyền động thủy lực khí nénđang có một vai trò đáng kể do có mật độ công suất cao, kết cấu đơn giản, độtin cậy cao và đặc biệt là việc bố trí các phần tử tự do và linh động theo khônggian và van điều khiển, có chi phí công suất nhỏ là những ưu điểm nổi bật củacông nghệ truyền động khí nén thủy lực Với những ưu điểm như vậy, nên ởnước ta hiện nay đã có rất nhiều máy móc sử dụng truyền đồng thủy lực khínén 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 truyềnđộng thủy lực khí nén, tiếp cận dần với công việc sửa chữa các thiết bị có liênquan trong thực tế.

Nội dung của giáo trình biên soạn được dựa trên sự kế thừa nhiều tàiliệu của các trường đại học và cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chấtlượng đào tạo cho sinh viên các trường dạy nghề trong cả nước Để giúp chongười học có thể nắm được những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khínén, 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 củaTổng 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, tácgiả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để lần xuất bản saugiáo trình được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2012

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

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, gópphần 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 vàothực tế

II Mục tiêu của môn học:

+ Trình bày được đầy đủ các khái niệm, yêu cầu và các định luật truyền dẫnnăng 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 truyềnđộng bằng khí nén và thủy lực

+ Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền độngbằng 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

III Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:

Thực hành Bài tập

Kiểm tra*

I Khái niệm và các quy luật về truyền

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

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT

VÀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN

Mã số của chương 1: MH 13 - 01 Giới thiệu:

Dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người ngày càng sử dụngđược hiểu quả các nguồn tài nguyên thiên nhiên vào trong kỹ thuật phục vụ đờisống mà trước đây tưởng như không thể Công nghệ khí nén đã đưa nguồn tàinguyên bất tận của thiên nhiên là không khí vào các máy móc để biến chúng thànhnăng lượng, giúp ích cho đời sống con người

Mục tiêu:

- Phát biểu đúng các khái niệm, yêu cầu và các thông số của truyềnđộng bằng khí nén

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

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

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

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

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

Nội dung chính:

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

Mục tiêu:

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

- Trình bày được quá trình sản xuất khí nén

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

- 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 nén cũng là mộttrong những môi chất mang năng lượng và tín hiệu quan trọng nhất trong kỹthuật 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, nénlại, truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lạithải 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 Alexandriecác 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 bướcthăng trầm Một mặt do trình độ kỹ thuật công nghệ các thời kỳ trước chưatương xứng, mặt khác còn có sự cạnh tranh gay gắt của các hệ thống truyềnnăng lượng khác như động cơ nhiệt, truyền động điện… mà mãi đến nhữngnăm gần đây kỹ thuật khí nén mới lại có được vai trò xứng đáng của nó trongsản xuất Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí nén bắt đầu cùng với sự phát triểnmạnh 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 Ngàynay 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 về hệ thống truyền động khí nén

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

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 hoạtđộng Đối với nguyên lý hoạt động ta có:

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

- Máy nén tuốc bin là được dùng cho công suất rất lớn và không kinh tếkhi sử dụng lưu lượng dưới mức 600 m3/phút Vì thế nó không mang lại ápsuất cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng

* Máy nén kiểu piston

Máy nén piston (hình 1.1) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấpnăng suất đến 500 m3/phút Máy nén 1 piston có thể nén khí khoảng 6 bar vàngoại lệ có thể đến 10 bar; máy nén kiểu piston 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 tíchkhông gian giữa hai răng kề nhau và vỏ sẽ thay đổi khi trục trục vít quay Docác rô to được chế tạo ở dạng trục vít nên điểm nén sẽ dịch chuyển từ cửa nạpđến 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, cónghĩa là thể tích không khí cuốn vào trong một vòng quay Số đầu mối rencàng 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 gạt (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 rôtoquay chiều sang phải, thì không khí vào buồng nén Sau đó khí nén sẽ đi rabuồng 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 nơisản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khínén 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 khínén, chú ý đối với hệ thống ống dẫn khí có thể là mạng đường ống được lắpráp 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 nénngoài tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn đúng các thông sốcủa hệ thống ống dẫn ( đường kính ống, vật liệu ống); cách lắp đặt hệ thốngống dẫn, bảo hành hệ thống phẫn phối cũng đóng vai trò quan trọng vềphương diện kinh tế cũng như yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khínén

* Bình nhận và trích khí nén

Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén của máynén khí chuyển đến, trích chứa, ngưng tụ và tách nước trước khi chuyển đếnnơi tiêu thụ

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

Bình trích chứa khí nén có thể đặt nằm ngang, nằm đứng Đường ống racủa khí nén 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 chophép đến 5% áp suất làm việc Như vậy tổn thất áp suất là 0.3 bar là chấpnhận 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 cảntương 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

Hình 1.7 Bộ lọc khí

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

Van lọc khí (hình 1.8) là làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nướcchứa trong nó Khí nén 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 vớinhững phân tử nước được để lại nằm ở đáy của bầu lọc Tùy theo yêu cầu chấtlượng của khí nén mà chọn phần tử lọc Độ lớn của phần tử lọc nên chọn từ20µm – 50µm

Hình 1.8 Van lọc khí nén

Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suấtđiều chỉnh, mặc dù có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường rahoặc sự dao động của áp suất ở đầu vào Ap suất ở đầu vào luôn luôn là lớnhơn 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 lênmàng kín Phía trên của màng chịu tác dụng của áp suất đầu ra, phía dưới chịutác dụng của lực lò xo sinh ra do vít điều chỉnh Bất kỳ sự tăng áp ở đầu tiêuthụ gây cho màng kín dịch chuyển chống lại lực căn của lò xo vì vậy hạn chếdòng 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 dùngđến lò xo cản gắn trên đĩa van

Van tra dầu: được sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bịtrong 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

− 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 tửchức 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 khínén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

− Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khínén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nền truyền động cóthể 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 khiểntheo 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 ống dẫn gây tiếng ồn

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 nănglượng khí nén, các bộ phận để điều khiển hệ thống, để điều khiển và điềuchỉnh môi chất, ngoài ra còn có các bộ phận để chuẩn bị khí nén, lưu giữ vàphân phối khí nén… Các bộ phận chuyển đổi năng lượng khí nén gồm: cácmáy 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 thànhnăng lượng cơ học ở dạng chuyển động quay, chuyển động thẳng hoặc chuyểnđộng lắc) Chính vì vậy hệ thống truyền động khí nén cần đảm bảo các yêucầu:

- 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 Thành phần hóa học của không khí

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

Bảng 2 Thành phần hoá học của không khí

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

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

1 W = 1 Nm/s = W = 1 m2kg/s3

- Công suất được tính theo công thức:

1.2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG KHÍ NÉN

Mục tiêu:

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

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

- Trình bày được 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

Stt Đại lượng vật lý K.hiệ

u

1 Khối lượng riêng ρn 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 η 17,17.10 -6 Pa.s Ở trạng thái tiêu chuẩn

7 Độ nhớt động ν 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

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

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

ρ ρ

p T

1 2

1 2 1

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 nởkhông 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

p

.Diện tích mặt phẳng 1, 2, 5, 6 trong hình 1.11 tương ứng lượng nhiệtgiãn 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 dụtrong máy nén khí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở Diện tíchmặt phẳng 1, 2, 3, 4 ở trong hình 1.11 là công thực hiện để nén hay công thựchiện khí áp suất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị:

1 1 1

k t

v

v v

p k

k W

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 đoạnnhiệt Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt vàquá 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

6

1 4

3

p p V

2 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 làkhông 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

m.g.h: Thế năng.

p V

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 2 ρ1∆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 Lưu lượng lưu chất

Hệ thống khí nén và thủy lực đều liên quan với dòng lưu chất đi quaống 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 khiểnquá 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 tốclưu động đủ thấp, dòng chảy êm và thẳng với vận tốc thấp ở vách và cao nhấttại tâm ống, trạng thái này được gọi là chảy tầng

Hình 1.13 Mô phỏng dòng chảy môi chất

Khi vận tốc dòng khí tăng lên, các cuộn xoáy bắt đầu hình thành chođến khi vận tốc đủ lớn sẽ xuất hiện các dòng chảy rối hoàn toàn, lúc này vậntốc lưu động gần như đồng nhất qua mặt cắt ống, trạng thái này gọi là chảyrối.

1.2.2.2 Định luật chất khí

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

Pabs 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:

Trong đó, V1 là thể tích khí tại nhiệt độ T1

V2 là thể tích khí tại nhiệt độ T2

c Khi giữ thể tích khí nén không đổi (V= const), thì:

Trong thực tế, chất lỏng được dùng trong hệ thống thủy lực có thể đượcxem là không nén được và không nhạy với sự thay đổi nhiệt độ Trong khi đóchất 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 200Cđược nén đến áp suất đo là 3at, nghĩa là áp suất đầu là 1at và nhiệt độ là293K, áp suất cuối là 4at (tuyệt đối)

Ví dụ:

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

Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cáchđóng, 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 nén), lúc nàynòng 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 củalực 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 liềnnhau 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 tínhiệu ngoài vào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí "0", còn đối vớivan 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 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 bịchặn, 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 đảochiều, 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, bằngkhí 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 lênnòng 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 vịtrí "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 độngvào, 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 sẽquay về vị trí ban đầu (vị trí "0") bằng lực nén 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 P bị chặn, cửa A nối với R Khi dòng điện vào cuôndây, pittông trụ bị kéo lên, khí nén sẽ theo hướng P1, 12 tác động lên pittôngphụ, pittông phụ bị đẩy xuống, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa Pnối 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

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 vàocuộn dây, van sẽ chuyển sang vị trí "1", lúc này cửa P nối với cửa A, cửa Bnối 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 P 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 P nối với cửa

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

- Tín hiệu tác động bằng khí nén

Tại vị trí "0" cửa P 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 Pnối 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 độnglần 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 tácđộng 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 tríxoay 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 nòngvan.

Khi xả cửa X, nòng van sẽ dịch chuyển sang vị trí b, cửa P nối với vớicửa A và cửa B nối với cửa R Khi cửa X ngừng xả khí, thì vị trí cửa nòng vanvẫn 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 P2 → P2 bịchặn Nếu dòng khí đồng thời qua P1, P2 → cửa A sẽ nhận được tín hiệu → khíqua A.

1.3.3.4 Van xả khí nhanh

Van xả khí nhanh thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành (pittông), cónhiệm 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 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 nốivới cửa A

1.3.5.2 Rơle thời gian ngắt chậm

Rơle thời gian ngắt chậm, nguyên lý, cấu tạo cũng tương tự như rơlethời 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 chânkhông, chân không được tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lýống venturi

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN

Mã số của chương 2: MH 13 – 02 Giới thiệu:

Việc ứng dụng hệ thống truyền động khí nén vào trong đời sống là một sựphát triển của khoa học kỹ thuật, Với ưu điểm là nguồn tài nguyên vô tận củathiên nhiên, chính vì vậy việc sử dụng các máy móc có truyền động khí nén sẽ là

ưu tiên của tương lai

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

- Trình bày được cách phân loại hệ thống truyền động 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 chấtbẩn theo từng mức độ khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, hơi nước trongkhông 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 ănmòn, 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 vàophạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất lượng của khí nén tương ứng chotừng 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 táchhơi nước

- Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khô khí nén để lọai bỏ hầu hếtlượng nước lẫn bên trong Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng củakhí 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, mốiliên 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 hiệnhoặc thời gian hành trình Hành trình làm việc được chia thành các bước, sựthay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kếtcác tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễnbằng 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