+ Truyền động thẳng là ƣu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, [r]
Trang 1ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG
GIÁO VIÊN: BÙI QUANG HÒA
TP.HCM 3/2018
Trang 2BÀI 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỦY LỰC, KHÍ NÉN
1.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN:
nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động; Trong công nghiệp gia công cơ khí; trong công nghiệp khai thác khoáng sản…
• Các dạng truyền động sử dụng khí nén:
+ Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm… + Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa
và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dưới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vòng/phút Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện
1.2 NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
1.2.1 Ưu điểm :
+ Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ
+ Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi Vì vậy có khả năng ứng dụng để thàỡnh lập một trạm trích chứa khí nén
+ Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải
ra ngược trở lại bầu khí quyển
+ Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn
Trang 3+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp
+ Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt
+ Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp
1.2.2 Nhược điểm :
+ Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp
+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn (Không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều)
+ Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn
1.3 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN:
1.3.1 Áp suất:
Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal
với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N)
Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa)
1 MPa = 1.000.000Pa
Pa = 100.000Pa
Trong thực tế người ta coi :
Ngoài ra một số nước (Anh, Mỹ) còn sử dụng đơn vị đo áp suất:
Trang 41 bar = 14,5 psi
1.3.2 Lưu lượng :
Lưu lượng dòng khí nén được tính:
Trong đó:
Q: lưu lượng;
V: thể tích khí chuyển qua tiết diện ngang của đường ống hay buồng xilanh trong 1 đơn vị thời gian t
Lưu lượng dòng khí nén có ý nghĩa quan trọng trong xác định tốc độ làm việc của các cơ cấu chấp hành
1.3.3 Lực:
Lực đẩy hay kéo của Piston gây bởi tác dụng của khí nén có áp suất P được tính theo công thức:
F = P.A [N]
Trong đó:
P là áp suất khí nén [Pa]
A là điện tích bề mặt Piston[m2]
F lực tác dụng vuông góc với bề mặt Piston [N]
tiết diện của cần piston, nên các lực tác dụng cũng khác nhau tại cùng một nguồn khí nén có áp suất P
F1 = P.A1; F2 = P.A2 F1 > F2
1.3.4 Tốc độ truyền động của xy lanh:
Khi tải trọng của truyền động không đổi, tốc độ truyền động được xác định theo quan hệ:
Trang 5Khi Q[m3/s]; A[m2] thì v[m/s], như vậy, trong trường hợp dung tích hành trình của cơ cấu chấp hành và tải trọng không đổi, tốc độ truyền động tỷ lệ với lưu lượng Q
Trong kỹ thuật khí nén, người ta dùng các van tiết lưu ( điều tiết lưu lượng)
để khống chế tốc độ của các cơ cấu chấp hành
1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ:
1.4.1 Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và
nhiệt độ Khi áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối
Đẳng áp : V/T = const
Đẳng tích : P/T = const
Đẳng nhiệt : P.V = const
1.4.2 Định luật Boyle: Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí
luôn là hằng số nếu nhiệt độ của khí không thay đổi
1.4.3 Định luật Pascal: Áp suất tác dụng lên dòng chảy sẽ được chuyền đi
theo mọi hướng với lực bằng nhau
Với A là diện tích bề mặt tác dụng, P là áp suất và F là lực tạo ra
Trang 6Lực tạo ra ở piston khí nén
1.5 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG KHÍ NÉN:
Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bi:
- Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết
bị xử lý khí nén( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…),…
- Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành
- Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén, giác hút…
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng khí nén
Một số ứng dụng của khí nén:
Trang 71.6 MÁY NÉN KHÍ VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG:
Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, 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
1.6 1 Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí:
a/ Nguyên tắc hoạt động:
Nguyên lý thay đổi thể tích: không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó
thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại Như vậy theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này, ví
dụ như máy nén khí kiểu pittông, bánh răng, cánh gạt
Nguyên lý động năng : không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp
suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý
này, ví dụ như máy nén kiểu li tâm
b/ Phân loại:
- Theo áp suất:
Trang 81- BỘ PHẬN NÉN KHÍ 2- BÌNH CHỨA KHÍ 3- RỜ - LE ÁP SUẤT 4- VAN AN TOÀN 6- ĐỒNG HỒ ÁP LỰC 5- QUẠT LÀM MÁT
8- VAN XẢ 7- BỘ LỌC
- Theo nguyên lý hoạt động:
* Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích:
Máy nén khí kiểu pít - tơng, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít
* Máy nén khí tua - bin:
Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục
1.6 2 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittơng :
Đây là dạng cơ bản nhất của các loại máy nén khí Việc nén khí thực hiện bằng cách hút khí vào và nén thể tích khí nằm giữa piston và vỏ xy lanh
Máy nén khí piston một cấp cĩ thể hút được lưu lượng đến 10 m3/phút và
áp suất nén là 6 bar, cĩ thể trong một số trường hợp thì áp suất cĩ thể lên 10 bar Máy nén khí piston hai cấp cĩ thể nén đến áp suất 15 bar, loại máy nén khí piston ba, bốn cấp cĩ thể nén đến áp suất 250 bar
Hình 1.2 Nguyên lý máy nén khí kiểu pittơng
Hình 1.3 Cấu tạo máy nén khí kiểu pittơng
Bình chứa khí:
Trang 9- Nơi ngưng tụ hơi nước giúp cho khí nén cung cấp cho hệ thống được khô ráo
Van an toàn:
- Để bảo đảm áp lực khí nén trong bình chứa khí không vượt quá áp lực cho phép
- Khi áp lực tăng quá giới hạn điều chỉnh, lò xo sẽ bị nén lại để khí nén thoát ra ngoài không khí
Quạt làm mát:
Thổi không khí vào cánh tản nhiệt của bộ phận nén khí nhằm làm mát bộ phận nén khí
Đồng hồ áp lực:
Để chỉ thị áp lực khí nén trong bình chứa khí
Bộ lọc:
- Nhằm làm sạch không khí trước khi đưa vào bộ phận nén khí
- Lõi lọc được làm bằng mút, giấy
Van xả:
Để xả nước ngưng tụ trong bình chứa khí
* Một số máy nén khí kiểu pittôngđược sử dụng trong thực tế:
Hình 1.4 Các dạng máy nén khí kiểu pittông
Trang 101.6.3 Máy nén khí kiểu cánh gạt:
Máy nén khí cánh gạt sử dụng rotor lệch tâm với các cánh gạt có thể trượt
theo hướng hướng tâm để nén khí Không khí đi vào buồng tạo bởi cánh gạt, rotor và vỏ máy nén khí, thể tích buồng này được nới rộng ra và hình thành thể tích buồng là lớn nhất Khi các cánh gạt quay tiến đến cửa ra, khí sẽ được nén lại
vì thể tích buồng chứa ngày càng nhỏ
Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của MNK kiểu cánh gạt
1.6.4 Máy nén khí kiểu trục vít:
Máy nén khí trục vít vận hành với 2 rotor xoắn ốc ăn khớp với nhau Khi rotor bên trái quay theo chiều kim đồng hồ, thì rotor bên phải sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Khi các rotor này quay thì sẽ cưỡng bức khí bên trong các buồng được nén lại với nhau theo hướng dọc trục Như vậy khí vào một cổng và
ra cổng đối diện theo hướng dọc trục
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu trục vít
1.7 THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN
Khí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa đựng nhiều chất bẩn bao gồm
bụi, độ ẩm của không khí, những phần tử nhỏ của dầu bôi trơn và truyền động
cơ khí Ngoài ra trong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, có thể gây nên
quá trình oxy hoá một số phần tử được kể trên Như vậy, khí nén chứa đựng những chất bẩn đó được tải đi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự mài mòn,
gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển Do đó khí nén cần
Trang 111.7.1 Các cấp độ xử lý khí nén :
Hình 1.7 Các cấp độ xử lý khí nén
1.7.2 Các phương pháp xử lý khí nén:
Hệ thống làm lạnh bằng không khí – bình ngưng tụ:
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí sẽ được dẫn vào bình ngưng tụ Tại đây khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không khí
sẽ được ngưng tụ và tách ra
Hình 1.8 Xử lý khí nén bằng không khí
Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh:
Trang 12Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh như sau: khí nén từ máy nén khí sẽ qua bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí Tại đây dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ
Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí – chất làm lạnh Quá trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách: dòng khí nén
sẽ được đổi chiều trong những ống dẫn nằm trong thiết bị này Nhiệt độ hoá sương tại đây là +20C Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được tạo thành từng giọt nhỏ một
Hình 1.9 Sấy khô bằng chất làm lạnh
Thiết bị sấy khô bằng hấp thụ:
Sấy khô bằng hấp thụ có thể là quá trình vật lý hay là quá trình hoá học
Quá trình vật lý: chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ
lượng hơi nước ở trong không khí ẩm ở trong hai bình sấy khô
Hình 1.10 Sấy khô bằng hấp thụ vật lý
Trang 13bằng quá trình hoá học thường là NaCl
Hình 1.11 Sấy khô bằng hấp thụ hóa học
1.7.3 Bộ lọc :
Ở phần trên đã giới thiệu một số phương pháp xử lý khí nén trong công nghiệp Tuy nhiên trong một số lĩnh vực, ví dụ những dụng cụ cầm tay sử dụng truyền động khí nén hoặc một số hệ thống điều khiển đơn giản thì không nhất thiết phải thực hiện tuần tự như vậy
Đối với những hệ thống như thế, nhất thiết phải dùng bộ lọc, gồm 3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu
Bộ lọc khí nén
nén Có hai nguyên lý thực hiện:
- Chuyển động xoáy của dòng áp suất khí nén trong van lọc
kim loại thêu kết hay là vật liệu tổng hợp Khí nén sẽ tạo chuyển động xoáy khi
Trang 14qua lá xoắn kim loại, sau đó qua phần tử lọc, tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn loại phần tử lọc có những loại từ 5 m đến 70 m Trong trường hợp yêu cầu chất lượng khí nén rất cao, vật liệu phần tử lọc được chọn là sợi thủy tinh có khả năng tách nước trong khí nén đến 99 Những phần tử lọc như vậy thì dòng khí nén sẽ chuyển động từ trong ra ngoài
Hình 1.12 Nguyên lý làm việc của van lọc và ký hiệu
Hình 1.13 Phần tử lọc
Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi
có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự dao động của áp suất đường vào
Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suất và ký hiệu
Trang 15đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua l thông tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua l xả khí ra ngoài Đến khi
áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về
vị trí ban đầu
Để giảm lực ma sát, sự ăn mòn và sự rỉ sét của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén, trong thiết bị lọc có thêm van tra dầu Nguyên tắc tra dầu được thực hiện theo nguyên lý Ventury: (hình 1.15)
Hình 1.15 Nguyên lý tra dầu ventury
Theo hình : điều kiện để dầu có thể qua ống Ventury là độ sụt áp p phải lớn hơn áp suất cột dầu H Phạm vi tra dầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có lưu lượng của khí nén
1.8 THIẾT BỊ PHÂN PHỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
1 8.1 Khái quát chung:
Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ vận chuyển không khí nén
từ máy nén khí đến thiết bị sử dụng Truyền tải không khí nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén Ở đây hệ thống đường ống dẫn được lắp cố định
Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất P, lưu lượng Q và chất lượng của không khí nén cho thiết bị tiêu thụ
Việc lựa chọn tiết diện ống dẫn cũng như cách bố trí mạng khí nén cần phải được chú trọng để đảm bảo tính kinh tế cũng như yêu cầu sử dụng Yêu cầu tổn thất áp suất của hệ thống không đựơc lớn hơn 1par, cụ thể là
Trang 16- Tổn thất áp suất trong thiết bị sử
Hình 1.16 Sơ đồ nguồn cung cấp
1.8 2 Bình trích chứa khí nén
Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ là cân cân bằng áp suất khí nén từ máy
én khí chuyển đến, trích chứa và ngưng tụ, tách nước
Kích thước bình trích chứa phụ thuộc và công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của thiết bị máy móc sử dụng, ngoài ra còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng khí nén
Bình trích chứa khí nén nên lắp ráp trong không gian thoáng, để thực hiện được nhiệm vụ như vừa nêu trên là ngưng tụ và tách nước trong khí nén
Hình 1.17 Các loại bình trích chứa
a Loại bình trích chứa th ng đứng
b Loại bình trích chứa nằm ngang
c Loại bình trích chứa nhỏ ng n trực tiếp vào ống dẫn khí
Trang 17- Mạng cố định (ví dụ là mạng khí nén trong nhà máy)
- Mạng di động (mạng khí nén trong dây chuyền s n xuất)
*) Mạng l p ráp cố định
Khi l p đ t và thiết kế mạng khí nén cần ph i quan tâm các thông số sau:
- Lưu lư ng: Phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy, vận tốc dòng chảy càng lớn
thì tổn thất càng nhiều
- ận tốc d ng ch y: Được chọn nằm trong khoảng vận tốc từ 6 đến 10
m/s Vận tốc dòng chảy khi qua các cút nối sẽ tăng lên, hoặc vận tốc sẽ tăng tức thời khi
vận hành thiết bị
- Tổn thất áp suất: Tổn thất trên đường ống cho phép là 0.1 và nó cho
phép sai số 5 áp suất yêu cầu Nếu trong hệ thống có lắp các cút nối thì tổn
thất sẽ tăng lên Để xác định tổn thất của cút nối, van ta tra theo bảng sau (b ng
3.1):
PH T NG N I
CHI U D I ĐƯ NG NG D N
TƯƠNG ĐƯƠNG (m)
ư ng kính trong của ống dẫn (mm)
an kiểu màng
an mở một