Giáo trình Thủy lực khí nén (Phần 1)

Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, 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 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. 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 liênquan trong thực tế. Giáo trình biên soạn được dựa trên sự kế thừa nhiều tàiliệu của các trường đại học, cao đẳng, các trường cao đẳng nghề. Để giúp cho người học có thể nắm được những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khí nén ứng dụng, giáo trình đã được 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 của Bộ lao động Thương binh và Xã hội ban hành. 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, nhóm tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm tác giả Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................................................. 1 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT VÀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN ..................................... 5 1. KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ NÉN.............................................................. 5 1.1. Khái niệm, yêu cầu................................................................................................................................ 5 1.1.1 Khái niệm ............................................................................................................................................ 5 1.1.2 Sản xuất khí nén ................................................................................................................................... 5 1.1.3 Phân phối khí nén ................................................................................................................................. 7 1.1.4 Xử lý khí nén ....................................................................................................................................... 9 1.2 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén .......................................................................................11 1.2.1 Ưu điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén .................................................................................11 1.2.2 Nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén ............................................................................11 1.2.3 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén ................................................................................... 12 1.2 Các thông số của khí nén ...................................................................................................................... 12 1.2.1 Lực ................................................................................................................................................... 12 1.2.2 Áp suất.............................................................................................................................................. 12 1.2.3 Lưu lượng ......................................................................................................................................... 12 1.2.4 Công ................................................................................................................................................. 13 1.2.5 Công suất .......................................................................................................................................... 13 1.2.6 Độ nhớt ............................................................................................................................................. 13 2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG KHÍ NÉN .............................................................................. 13 2.1 Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén ...................................................................................... 13 2.1.1 Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí.......................................................................................... 13 2.1.2 Các phương trình tính toán ................................................................................................................ 14 2.2 Các định luật cơ bản của dòng chất khí ................................................................................................. 18 2.2.1 Định luật pascal ................................................................................................................................. 18 2.2.2 Lưu lượng lưu chất ............................................................................................................................. 18 2.2.3 Định luật chất khí ............................................................................................................................... 19 3 NHẬN DẠNG CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG KHÍ NÉN ............................................................................. 19 3.1 Cơ cấu chấp hành .................................................................................................................................. 19 3.2 Van đảo chiều ........................................................................................................................................ 21 3.2.1 Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều .............................................................................................. 21 3.2.2 Ký hiệu van đảo chiều ....................................................................................................................... 21 3.2.3 Các tín hiệu tác động .......................................................................................................................... 22 3.2.4 Van đảo chiều có vị trí "0" .................................................................................................................. 24 3.2.5 Van đảo chiều không có vị trí "0" ....................................................................................................... 26 3.3 Van chặn ............................................................................................................................................... 27 3.3.1 Van một chiều .................................................................................................................................... 27 3.3.2 Van logic OR...................................................................................................................................... 27 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 3 3.3.3 Van logic AND ................................................................................................................................... 28 1.3.3.4 Van xả khí nhanh ............................................................................................................................. 28 3.4 Van tiết lưu............................................................................................................................................ 28 3.5 Van điều chỉnh thời gian ........................................................................................................................ 29 3.5.1 Rơle thời gian đóng chậm ................................................................................................................... 29 3.5.2 Rơle thời gian ngắt chậm ................................................................................................................... 29 3.6 Van chân không ..................................................................................................................................... 29 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN.................................................................. 31 1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ........................ 31 1.1 Nhiệm vụ ............................................................................................................................................... 31 1.2 Yêu cầu ................................................................................................................................................. 31 1.2.1 Về khí nén .......................................................................................................................................... 31 1.2.2 Về kỹ thuật ......................................................................................................................................... 31 1.3 Phân loại ............................................................................................................................................... 31 2. SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN .................................................................................................................................................... 31 2.1 Sơ đồ cấu tạo ........................................................................................................................................ 31 2.1.1 Nguyên lý truyền động ....................................................................................................................... 31 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền động .............................................................................................................. 32 2.2 Nguyên lý hoạt động ............................................................................................................................. 33 2.2.1 Điều khiển bằng tay............................................................................................................................ 33 2.2.2 Điều khiển theo thời gian ................................................................................................................... 34 2.2.3 Điều khiển theo hành trình ................................................................................................................. 36 3. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ ...................................................... 37 3.1 Máy nén khí loại rô to ........................................................................................................................... 37 3.1.1 Máy nén khí kiểu cánh quay ............................................................................................................... 37 3.1.2 Máy nén khí kiểu trục vít .................................................................................................................... 38 3.2 Tuốc bin khí .......................................................................................................................................... 39 3.3 Nhận dạng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén................... 40 CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM VÀ CÁC QUY LUẬT VỀ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC ...................... 45 1 KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNGSỐ CỦA THỦY LỰC .......................................................... 45 1.1 Khái niệm, yêu cầu .................................................................................................................................. 45 1.1.1 Khái niệm ............................................................................................................................................. 45 1.1.2 Yêu cầu .............................................................................................................................................. 45 1.2. Các thông số của chất lỏng ................................................................................................................... 46 2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG THỦY LỰC........................................................................... 48 2.1 Truyền động thuỷ tĩnh ............................................................................................................................... 48 2.1.1 Khái quát về truyền động thuỷ tĩnh ........................................................................................................... 48 2.1.2 Cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ tĩnh .................................................................................................. 48 2.2 Truyền động thuỷ động ......................................................................................................................... 50 2.2.1 Khái quát về truyền động thuỷ động ......................................................................................................... 50 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 4 2.2.2 Cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ động ................................................................................................ 50 3 NHẬN DẠNG CÁC THIẾT BỊ THỦY LỰC ........................................................................................... 51 3.1 Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu................................................................................. 51 3.1.1 Bơm dầu và động cơ dầu ........................................................................................................................ 51 3.1.2 Xy lanh truyền động (cơ cấu chấp hành) ............................................................................................. 57 3.1.3 Bể dầu ............................................................................................................................................... 58 3.1.5 Đo áp suất và lưu lượng..................................................................................................................... 59 3.2 Các phần tử của hệ thống điều khiển thuỷ lực ....................................................................................... 60 3.2.1 Van áp suất ......................................................................................................................................... 60 3.2.3 Van giảm áp ....................................................................................................................................... 62 3.2.4 Van đảo chiều ..................................................................................................................................... 63 CHƯƠNG 4: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC ............................................ 67 1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI ............................................................................................... 67 1.1 Nhiệm vụ ................................................................................................................................................ 67 1.3 Phân loại ............................................................................................................................................... 67 2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC ................................................................................................................................................ 67 2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển thủy lực chuyển động quay ......................... 67 2.1.1 Sơ đồ hệ thống ..................................................................................................................................... 67 2.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển thuỷ lực chuyển động tịnh tiến ...................... 68 2.3.2 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công ........................................................................................................ 69 2.3.3 Máy khoan bàn................................................................................................................................... 70 3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THỦY LỰC.................................................... 70 3.1 Máy thủy lực cánh dẫn .......................................................................................................................... 70 3.2 Tuốc bin thủy lực .................................................................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 74 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 5 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÁC QUY LUẬT VÀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 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. Ứng dụng khí nén đã có từ trước Công nguyên. Năm 140 trước Công nguyên, nhà triết học người Hylạp Ktesibiosvà học trò của ông đã chế tạo ra thiết bị bắn tên hay ném đá sử dụng năng lượng khí nén. Đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike (1602 - 1686), nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal (1623 -1662), cũng như nhà vậy lý người Pháp Denis Papin(1647 -1712) đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén. Trong thế kỷ 19 các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh, như thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), phanh bằng khí nén (1880) 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 nhiều dụng cụ, thiết bị phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. 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 trongsản 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. Khái niệm, yêu cầu 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. 1.1.2 Sản xuất khí nén Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 6 nguồn khí này phải được sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với một áp suất nhất định thích hợp cho năng lượng hệ thống. a. Máy nén khí Máy nén khí là máy có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định và tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn. 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 7 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 1.1.3 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 8 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 phưng 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) Hình 1.6. Các loại bình trích chứa khí nén * Đường ống Đường ống dẫn khí nén có đường kính trong vài milimet trở lên. Chúng được làm bằng các vật liệu cao su, nhựa hoặc kim loại. Thông số cơ bản kích thước ống (đường kính bên trong) phụ thuộc vào: vận tốc dòng chảy cho phép, tổn thất áp suất cho phép, áp suất làm việc, chiều dài ống, lưu lượng, hệ số cản trở dòng chảy và các phụ kiện nối ống. - 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 của ống hoặc nối ống, van, những nơi có tiết diện nhỏ lại sẽ tăng lên, hay vận tốcdòng 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 9 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  tương đương chiều dài ống dẫn l Phụ kiện nối Chiều dài ống dẫn tương đương l’ (m) Đường kính trong của ống dẫn (mm) 25 40 50 80 100 125 150 Van kiểu màng mỏng 1,2 2,0 3,0 4,5 6 8 10 Van khóa 6 10 15 25 30 50 60 Van mở một phần 3 5 7 10 15 20 25 Van chắn 0,3 0,5 0,7 1 1,5 2 2,5 Nối vuông góc 1,5 2,5 3,5 5 7 10 15 Độ cong R=d 0,3 0,5 0,6 1 1,5 2 2,5 Độ cong R=2d 0,15 0,25 0,3 0,5 0,8 1 1,5 Ống nối T 2 3 4 10 10 15 20 Nối ống thu nhỏ 0,5 0,7 1 2,5 2,5 3,5 4 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 10 pháp xử lý. Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc để xử lý khí nén (hình 1.7). Hình 1.7. Bộ lọc khí Van lọc khí (hình 1.8) là làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nước chứa 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 với những phân tử nước được để lại nằm ở đáy của bầu lọc. Tùy theo yêu cầu chất lượng của khí nén mà chọn phần tử lọc. Độ lớn của phần tử lọc nên chọn từ 20µm - 50µm. 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. Áp 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 11 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 1.2 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén 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. 1.2.2 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. Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 12 − 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. 1.2.3 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 1.2 Các thông số của khí nén 1.2.1 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 1.2.2 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). 1 Pascal = 1 N/m2 = 1kg m/s2/m2 = 1kg/ms2 - Đơn vị bar: 1 bar = 105Pa = 1Kg/cm2 =1 at - Ngoài ra dùng đơn vị psi ( pound (0.45336 kg) per square inch (6.4521 cm2). Kí hiệu lbf/in2 (psi); 1 bar = 14,5 psi - Áp suất có thể tính theo cột áp lưu chất P = w*h Trong đó: w trọng lượng riêng lưu chất h chiều cao cột áp 1.2.3 Lưu lượng - Lưu lượng là vận tốc dòng chảy của lưu chất qua một tiết diện dòng chảy. Đơn vị thường dùng là l/min. Q = v.A Trong đó: Q lưu lượng của dòng chảy A Tiết diện của dòng chảy v Vận tốc trung bình của dòng chảy Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 13 1.2.4 Công - Đơn vị của công là Joule (J). 1 Joule là công sinh ra dưới tác động của lực 1 N để vật dịch chuyển quãng đường 1 m. 1 J =1Nm 1 J = 1 m2kg/s2 - Công được tính theo công thức: Wk = F*L Trong đó: F lực tác dụng vào vật L quảng đường vật đi được 1.2.5 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 W = 1 Nm/s 1 W = 1 m2kg/s3 Công suất được tính theo công thức ܪ = ܳ ቀ௠௜௡௟ ቁ ∗ ܲ(ܾܽݎ)600 (ܭܹ) 1.2.6 Độ nhớt - Độ nhớt động của một chất là có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1 kg/cm3. ݒ = ߟ ߩ Trong đó:  : độ nhớt động lực [Pa.s]  : khối lượng riêng [kg/m3] v: độ nhớt động [m2/s] - Ngoài ra ta còn sử dụng đơn vị độ nhớt động là Stokes (St) hoặc là centiStokes (cSt). Chú ý: độ nhớt động không những có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén mà nó rất quan trọng trong điều khiển thủy lực. 2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG KHÍ NÉN 2.1 Các phương trình tính toán dòng chảy khí nén 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.hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú Khối lượng riêng n 1,293 kg/m3 T=273K, Pa=760 2 Hằng số khí R 287 J/kg.K 3 Tốc độ âm thanh s 331,2 m/s Ở nhiệt độ 00C 4 Ở nhiệt độ 200C 5 Nhiệt lượng riêng cp 1,004 kJ/kg.K Áp suất hằng số Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 14 6 0,717 kJ/kg.K Thể tích hằng số 7 Số mũ đoạn nhiệt K 1,4 2.1.2 Các phương trình tính toán a. 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: pabs.V = m.R.T. (1.1) Trong đó: pabs: Áp suất tuyệt đối [bar]. V: Thể tích của khí nén [m3]. m: Khối lượng [kg]. R: Hằng số khí. [J/kg.K]. T: Nhiệt độ Kelvin [K]. . .absp V m R T  (1.2) Hay: 1 1 2 2 1 2 . .abs absp V p V T T  (1.3) Khối lượng không khí m được tính theo công thức: - Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có: 21 1 2 abs abs m p m p    (1.4) Hay 2 2 1 1 abs abs p p   (1.5) - Khi áp suất p không thay đổi, ta có: 1 2 1 2 T T   (1.6) - Khi cả ba đại lượng trên đều thay đổi, ta có 1 2 1 2 1 2 1 abs abs T p T p    (1.7) Thể tích riêng của không khí: V m   [m3/kg] (1.8) Suy ra, ta có phương trình trạng thái của khí nén: ௣.௩ ் = ܴ ℎܽݕ ݌. ݒ = ܴ.ܶ(1.9) Trong đó; R là hằng số khí. Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 15 Nhiệt lượng riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng không khí 1 kg lên 10K. Nhiệt lượng riêng khi thể tích không thay đổi ký hiệu là cv, khi áp suất không thay đổi ký hiệu cp. tỷ số của cv và cp gọi là số mũ đoạn nhiệt k: ݇ = େ౦ େ౬ (1.10) Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R: ܴ = ܿ௣ − ܿ௩ = ܿ௣ ௞ିଵ௞ = ܿ௩(݇ − 1) (1-11) 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: ݌ଵ. ݒଵ௞ = ݌ଶ. ݒଶ௞ = hằng số Hay ௣భ ௣మ = ቀ௩మ ௩భ ቁ ௞ = ቀ భ் మ் ቁ ೖ ೖషభ (1.12) Diện tích mặt phẳng 1,2,5,6 trong hình 1.7 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khôi lượng khí 1 kg và có giá trị: ܹ = ௣భ.௩భ ௞ିଵ ൤1 − ቀ௩భ ௩మ ቁ ௞ିଵ ൨ (1.13) ܹ = ௣భ.௩భ ௞ିଵ ቈ1 − ቀ௣మ ௣భ ቁ ೖషభ ೖ ቉ ܹ = ௣భ.௩భ ௞ିଵ ቀ1 − మ் భ் ቁ 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 1.7 là công thực hiện để nén hay công thực hiện khi áp suất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị: ௧ܹ = ௞௞ିଵ ݌ଵ.ݒଵ ൤1 − ቀ௩భ௩మቁ௞ିଵ൨ (1.14) ܹ = ݇ ݇ − 1 ݌ଵ.ݒଵ ൥1 − ൬݌ଶ݌ଵ൰ೖషభೖ ൩ Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đảng 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: ݌ଵ.ݒଵ௡=݌ଶ. ݒଶ௡ = hằng số Hay ௣భ௣మ = ቀ௩మ௩భቁ௡ = ቀ మ்భ்ቁ ೙೙షభ (1.15) Quá trình đẳng nhiệt n = 1 Quá trình đẳng áp n = 0 Quá trình đoạn nhiệt n = k Quá trình đẳng tích n = ∞ Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 16 b. 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: Qv1 = Qv2 Hay: w1.A1 = w2.A2 = hằng số. Trong đó: Qv1, Qv2[m3]: Lưu lượng dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2. w1 [m/s]: Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1. w2 [m/s]: Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2. 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: ݉. ௪భమ ଶ + ݉.݃.ℎଵ + ݉. ௣భఘ = ݉.௪మమଶ + ݉.݃. ℎଶ + ݉. ௣మఘ (1.16) Trong đó: ݉. ௪భమ ଶ : Động năng m.g.h: Thế năng ݉. ௣ ఘ = V.p: Áp năng g: Gia tốc trọng trường : 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: ݍ௠ = ߙ. ߝ.ܣଵඥ2ߩଵ∆݌ [kg/s] (1.17) Hay ݍ௠ = ߙ. ߝ.ܣଵටଶ∆௣ఘభ [m3/s] (1.18) Trong đó: α: Hệ số lưu lượng Hình 1.11 Biểu đồ đoạn nhiệt Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 17 ε: Hệ số giãn nở A1 [m2]: Diện tích mặt cắt của khe hở Δp = p1 – p2: Độ chênh áp suất trước và sau khe hở. 1: Khối lượng riêng của không khí Hệ số lưu lượng α phụ thuộc vào dạng hình học của khe hở và hệ số vận tốc. Hình 1.12 biểu diễn mối quan hệ của hệ số lưu lượng α và tỷ số ݉ = ௗమ ஽మ Hình 1.12 Hệ số lưu lượng Trong hình 1.13 biểu diễn mối quan hệ của hệ số giãn nở ε, tỷ số áp suất sau và trước khe hở ௣మ ௣భ và tỷ số ݉ = ௗమ ஽మ của vòi phun. Hình 1.13Hệ số giãn nở của vòi phun Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 18 2.2 Các định luật cơ bản của dòng chất khí 2.2.1 Định luật pascal Hình 1.14. 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 1.14) 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 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. 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 1.15 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. F = 5kg Tác dụng lên diện tích A = 2 cm2 Tạo ra áp suất p = 2.5 kg.f/cm2 Diện tích đáy = 100 cm2 Lực = 250kgf diện tích bình =1.5cm lực =37.500kgf Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 19 Hình 1.15. Mô phỏng dòng chảy môi chất 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. 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 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 1.16), 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 Hình 1.16. Mô tả định luật Boyle 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 sẽ làm áp suất tăng từ P1 đến P2 do đó ଵܲ ଵܶ = ଶܲ ଶܶ Từ đó có thể suy ra biểu thức tổng quát ௉భ.௏భ భ் = ௉మ .௏మ మ் Trong đó giá trị P1,V1,T1 là điều kiện đầu và P2,V2,T2 là điều kiện cuối 3 NHẬN DẠNG CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG KHÍ NÉN 3.1 Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xilanh) Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 20 hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). Ở trạng thái làm việc ổn định, thì khả năng truyền năng lượng có phương pháp tính toán giống thủy lực. Ví dụ: Công suất: N = p.Q (khí nén) Vận tốc: v = N/Ft(cơ cấu chấp hành) Cụ thể: ൞ ݌.ܣ = ܨ௟௫ + ܨ௧ ⇒ ݌ = ܨ௟௫ + ܨ௧ܣ ݒ = ܳ ܣ Một số xi lanh, 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 21 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 1.17 Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 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. 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 với nguồn khí 1 P 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 22 Hình 1.18. Ký hiệu các cữa của van đảo chiều Một số van đảo chiều thường gặp: Hình 1.19. Các loại van đảo chiều 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 23 b. Tín hiệu tác động bằng cơ c. Tín hiệu tác động bằng khí nén d. Tín hiệu tác động bằng nam châm điện Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 24 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 1.20 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: Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 25 Hình 1.21. Van đảo chiều 3/2 - Tín hiệu tác động bằng tay – nút ấn Ký hiệu - Tín hiệu tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ Hình 1.20. Ký hiệu và kết cấu van đảo chiều 3/2 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 c. Van đảo chiều 4/2: + Tín hiệu tác động bằng tay - bàn đạp Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 26 + 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 Ký hiệu 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 P nối với cửa B, cửa A nối với cửa S và cửa R bị chặn. 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: * Tác động bằng tay, bàn đạp. * Tín hiệu tác động bằng dòng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ 2 phía của nòng van. * Tín hiệu tác động trực tiếp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua van phụ trợ. Loại van này được gọi là van đảo chiều xung, vì vị trí của van được thay đổi khi có tín hiệu xung tác động lên nòng van. a. Van đảo chiều 3/2 Tín hiệu tác động bằng tay, được ký hiệu: Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 27 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 nòngvan. 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 3.3 Van chặn Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn. Van chặn gồm các loại sau: - Van một chiều - Van logic OR - Van logic AND - Van xả khí nhanh. 3.3.1 Van một chiều Van một chiều có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều. Ký hiệu: 3.3.2 Van logic OR Van logic OR có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. Ký hiệu: Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 28 Khi có dòng khí nén qua cửa P1, sẽ đẩy pittông trụ của van sang phải, chắn cửa P2 . P1 nối với cửa A và ngược lại. 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 bị chặn. Nếu dòng khí đồng thời qua P1, P2  cửa A sẽ nhận được tín hiệu  khí qua A. 1.3.3.4 Van xả khí nhanh Van xả khí nhanh thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành (pittông), có nhiệm vụ xả khí nhanh ra ngoài. Ký hiệu: 3.4 Van tiết lưu Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng khí. 3.4.1 Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi Ký hiệu 3.4.2 Van tiết lưu có tiết diện thay đổi Ký hiệu: 1.3.4.3 Van tiết lưu một chiều Ký hiệu: Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 29 3.5 Van điều chỉnh thời gian 3.5.1 Rơle thời gian đóng chậm Hình 1.23 Rơ le 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. 3.5.2 Rơle thời gian ngắt chậm Hình 1.24 Rơ le 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. 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. Ký hiệu: Ta có lực hút chân không ܨ = ߨ.ܦଶ4 ∆݌ ∆݌ = (݌௔ − ݌௨) Trong đó: F - lực hút chân không (N); D - đường kính đĩa hút (m); pa - áp suất không khí ở đktc (N/m2); pu - áp suất chân không tại cửa U (N/m2). Lực F phụ thuộc vào D và pu. Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 30 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1. Trình bày khái niệm, yêu cầu và các thông số của khí nén? Câu 2. Trình bày các quy luật truyền dẫn khí nén? Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 31 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 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. 1.2 Yêu cầu 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 vàophạm 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. 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); tốc độ của rotor (n) Ngoài ra còn đảm bảo yêu cầu làm việc êm dịu(tốc độ đều và ít tiếng ồn). 1.3 Phân loại Đối với hệ thống truyền động bằng khí nén thông thường phân loại theo phương pháp điều khiển. Bao gồm các phương pháp sau - 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. SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 2.1 Sơ đồ cấu tạo 2.1.1 Nguyên lý truyền động Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 32 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền động Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và các phần tử 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: Thế năng của khí nén P.Q Thế năng của khí nén P.Q Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 33 2.2 Nguyên lý hoạt động 2.2.1 Điều khiển bằng tay - Điều khiển trực tiếp Biểu đồ trạng thái - Điều khiển gián tiếp Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 34 Biểu đồ trạng thái 2.2.2 Điều khiển theo thời gian Biểu đồ trạng thái Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 35 - Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động Biểu đồ trạng thái Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 36 2.2.3 Điều khiển theo hành trình Biểu đồ trạng thái Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 37 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. 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 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 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 38 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 (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ởtrên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động. Thể tíchgiới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén đượcthực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát. Bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào. Hình 2.3. Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt. 3.1.2 Máy nén khí kiểu trục vít Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay. Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy. Máy nén khí kiểu trục vít gồm có hai trục: trục chính và trục phụ. Số răng (số đầu mối) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén). Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm. Số răng (số đầu mối) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn. Hình 2.4. Nguyên lý họat động máy nén khí kiểu trục vít * Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 đến 40.000 giờ); nhỏ gọn, chạy êm. * Khuyếtđiểm : Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế. 2 1 3 Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 39 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn. 3.2 Tuốc bin khí Hình 2.6. Tuốc bin nén khí lắp trên động cơ ôtô Là loạiđộng cơ nhiệt, dạngrotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí. Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí (tiếng Anh: compressor) dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối tuốc bin khí rotor. Khối máy nén và khối tuốc bin có trục được nối với nhau để tuốc bin làm quay máy nén. Khí nén đưa vào buồng đốt, trộn với khí nhiên liệu và đốt, không khí nén nhận được nhiệt từ khí đốt và giãn nở -> không khí giãn nở sẽ làm quay các turbine. Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 40 3.3 Nhận dạng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén 3.3.1 Nhận dạng cấu tạo của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén * Các chi tiết bộ phận chính trong hệ thống truyền động bằng khí nén 3.3.2 Nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén a. Điều khiển bằng tay - Điều khiển trực tiếp Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 41 - Điều khiển gián tiếp Biểu đồ trạng thái b. Điều khiển theo thời gian Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 42 Biểu đồ trạng thái Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động - Biểu đồ trạng thái Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 43 c. Điều khiển theo hành trình Biểu đồ trạng thái Giáo trình thủy lực khí nén Trường Cao đẳng nghề Yên Bái 44 CÂU HÔI ÔN TẬP Câu 1. Trình bày nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại hệ thống truyền động bằng khí nén? Câu 2. Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nén khí? Câu 3. Trình bày nguyên lý làm việc của hệ thống truyền động bằng khí nén loại điều khiển bằng tay? Câu 4. Trình bày nguyên lý làm việc của hệ thống truyền động bằng khí nén loại điều khiển theo thời gian?