Giáo trình Công nghệ khí nén - thủy lực ứng dụng (Nghề: Công nghệ ô tô - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Công nghệ khí nén - thủy lực ứng dụng (Nghề: Công nghệ ô tô - Cao đẳng) được biên soạn với mục tiêu nhằm 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 liên quan trong thực tế. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Công nghệ khí nén - thủy lực ứng dụng (Nghề: Công nghệ ô tô - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC GIÁO TRÌNH Môn học: Công nghệ khí nén - thuỷ lực ứng dụng NGHỀ: CÔNG NGHỆ Ô TÔ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 979 QD-CĐVX-ĐT ngày 12 tháng 12 năm 2019 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Việt Xô Ninh Bình – Năm 2019
LỜI GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã giúp cho có sự thay đổi vượt bậc trong cuộc sống của con người. Bên cạnh sự phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự động hóa..thì ngành kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vị trí 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. Với những ưu điểm như vậy, nên ở nước ta hiện nay đã có rất nhiều máy móc sử dụng truyền đồng thủy lực khí nén 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 truyền động thủy lực khí nén, tiếp cận dần với công việc sửa chữa các thiết bị có liên quan trong thực tế. Nội dung của giáo trình biên soạn được dựa trên sự kế thừa nhiều tài liệu của các trường đại học và cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo cho sinh viên các trường dạy nghề trong cả nước. Để giúp cho người học có thể nắm được những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khí nén, nhóm biên soạn đã sắp xếp môn học theo từng chương theo thứ tự: Chương 1: Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén và thủy lực Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén Chương 3: Hệ thống truyền động bằng thủy lực Kiến thức trong giáo trình được biên soạn theo chương trình khung của Tổng 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. Ninh Bình, ngày ..... tháng ..... năm 2019
MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục Chương 1: Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén và thủy 4 lực Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén 11 Chương 3: Hệ thống truyền động bằng thủy lực 37 Tài liệu tham khảo 58
MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KHÍ NÉN - THỦY LỰC ỨNG DỤNG Mã số của môn học: MH 13 I. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau: MH 14, MH 15, MH 16, MĐ 18, MĐ 19 - Tính chất: 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, góp phần 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 vào thực tế. II. Mục tiêu của môn học: + Trình bày được đầy đủ các khái niệm, yêu cầu và các định luật truyền dẫn năng 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 truyền động bằng khí nén và thủy lực + Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền động bằng 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
CHƯƠNG I:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC Mục tiêu: - Trình bày được ưu nhược điểm và và phạm vi ứng dụng của truyền động khí nén và truyền động thủy lực - Biết được những đặc trưng của khí nén và thủy lực - Trình bày được những thông số cơ bản trong truyền động khí nén và truyền động thủy lực. Nội dung chính: 1. Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén 1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật 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. 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 Alexandrie các 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 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 trong sản 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… 1.2. Khả năng ứng dụng của kỹ thuật khí nén 1.2.1. Lĩnh vực điều khiển Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa quá trình sản xuất phát triển mạnh mẽ. Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở cộng hòa dân chủ Đức có tới 60 hãng chuyên sản xuât các phần tử điều khiển bằng khí nén. Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó hay xảy ra những vụ nổ nguy hiểm như các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và
kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. 1.2.2. Lĩnh vực truyền động - Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Các thiết bị máy móc trong lĩnh vực khai thác như: Khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng như: xây dựng hầm mỏ, đường hầm. - Truyền động quay: Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thành rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén và một động cơ điện có cùng công suất, thì giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện. Nhưng ngược lại thể tích và trọng lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất. Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5 kW, máy mài, công suất khoảng 2,5 kW cũng như những máy mài với công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao khoảng 100.000 v/ph thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp. - Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô. - Trong các hệ thống đo và kiểm tra: 1.3. Những đặc trưng cơ bản của khí nén - Về số lượng: có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn. - Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với một khoảng cách nhất định. Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác. - Về lưu trữ: máy nén khí không nhất thiết phải hoạt động liên tục. Khí nén có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết. - Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ. - Về phòng chống cháy nổ: không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên không mất chi phí cho việc phòng chống cháy. Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp. - Về Tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch, không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh. Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm, vải sợi, lâm sản và thuộc da. - Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác. - Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy - lanh thường từ 1 - 2 m/s).
- Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén được điều chỉnh một cách vô cấp. - Về sự quá tải: các công cụ và các thiết bị được khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xảy ra quá tải. 1.4. Ưu nhược điểm của truyền động khí nén 1.4.1. Ưu điểm − 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. 1.4.2. Nhược điểm − 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. − Lực truyền tải trọng thấp. − Dòng khí nén thoát ra ở đường ống dẫn gây tiếng ồn 1.5. Các thông số cơ bản trong truyền động khí nén và thủy lực 1.5.1. 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 1.5.2. 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 - Ngoài ra còn dùng đơn vị bar: 1 bar = 105Pa = 1Kg/cm2 =1 at - Một số nước tư bản còn 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 1.5.3. 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 1.5.4. Công và công suất a. 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. b. 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 = W = 1 m2kg/s3 - Công suất được tính theo công thức: 1.5.5. Độ nhớt động a. Khái niệm: Độ nhớt của chất lỏng là tính chất chống lại biến dạng trượt của các lớp chất lỏng và là một trong những thông số quan trọng trong tính toán và thiết kế các thiết bị thuỷ lực. Khi chất lỏng chuyển động dọc theo thành rắn, do ma sát mà tốc độ của các lớp chất lỏng trong dòng chẩy khác nhau, và kết quả là xuất hiện lực ma sát giữa các lớp chất lỏng với nhau. Lực ma sát này (ứng suất tiếp) được tính theo định luật nội ma sát của Newton: b. Độ nhớt động - Độ nhớt động của một chất là có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1 kg/cm3.
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). (1 cst = 0,01 st = 1 mm2/s) 2. Cơ sở lý thuyết của truyền động thủy lực: 2.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của kỹ thuật thủy lực: - Năm 1920 đã ứng dụng vào trong lĩnh vực máy công cụ. - Năm 1925 đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Công nghiệp, nông nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, hàng không… - Năm 1960 đến nay ứng dụng trong tự động hóa thiết bị và dây chuyền thiết bị với trình độ cao, có khả năng điều khiển bằng máy tính hệ thống thủy lực với công suất cao. 2.2. Ưu nhược điểm của truyền động bằng thuỷ lực: a. Ưu điểm: - Truyền động được công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng). - Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, (dễ thực hiện tự động hoá theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn). - Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau. - Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. - Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh (như trong cơ khí và điện). - Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. - Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn. - Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch. - Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hoá. b. Nhược điểm: - Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng. - Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn. - Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi. 2.3. Những đặc trưng cơ bản của thủy lực: a. Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng: Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng lý tưởng. Đây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi được
nạp vào thùng chỉ truyền áp lực vuông góc với thành và đáy thùng (hình 3.3). Độ lớn của áp suất phụ thuộc vào cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ điểm đo đến mặt thoáng của chất lỏng: p  gh Với chất lỏng lý tưởng, không xuất hiện lực tiếp tuyến cũng như các ứng suất tiếp tại thành thùng và giữa các lớp chất lỏng. F A h p p p Hình 1.1. Phân bố áp suất trong Hình 1.2. Lực tác động lên thùng chứa chất lỏng lý tưởng piston của một xy lanh thuỷ lực Khi tính toán các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác động ngoài. Áp suất tạo ra từ lực ngoài (hình 1.2) được xác định theo biểu thức: F p A Áp suất này có thể được tạo ra từ chuyển động gián đoạn của thiết bị ví dụ như piston trong xy lanh hoặc chuyển động liên tục như trong bơm bánh răng, bơm cánh quay,… b. Phương trình liên tục Dòng chảy dừng của chất lỏng lý tưởng thoả mãn định luật bảo toàn khối lượng: Lưu khối m 1 chảy qua mặt cắt A1 luôn bằng với lưu khối m 2 chảy qua mặt cắt A2. Đối với chất lỏng có khối lượng riêng không đổi định luật này đúng cho cả trường hợp chảy không dừng. Hình 1.3. Dòng chảy qua ống thu hẹp
Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt đường ống trong một đơn vị thời gian được xác định theo:   Av m Tương ứng hình 1.3 thỏa mãn: 1 A1 v1   2 A 2 v 2 Đối với chất lỏng có khối lượng riêng không đổi A 1 v1  A 2 v 2 c. Phương trình Bernoulli Phương trình Bernoulli xuất phát từ giả thiết rằng năng lượng của một chất lỏng chảy dừng không ma sát trên mọi điểm của mặt cắt ngang tại mọi thời điểm là không đổi. Phương trình này thoả mãn trong trường hợp riêng của dòng chảy một chiều, và cũng biểu diễn trường hợp đặc biệt của hệ phương trình vi phân Navier- Stocke xây dựng cho trường hợp tổng quát cho dòng chảy 3 chiều. Mặc dù vậy cũng có thể ứng dụng đủ chính xác làm cơ sở tính toán trong lĩnh vực thuỷ lực dầu. Năng lượng tại một điểm xác định trên đường dòng của một dòng chảy chất lỏng lý tưởng bao gồm động năng dòng chảy, áp năng của chất lỏng và thế năng. Hình 1.4. Dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau Hình 1.4 trình bày sơ đồ dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau. Phương trình Bernoulli viết cho trường hợp này như sau: 1 v12  v2 p1   1gh 1  p 2  2 2   2 gh 2 2 2 Đối với chất lỏng không chịu nén: v12 v 22 p1   gh 1  p 2   gh 2 2 2 Hoặc tổng quát: v 2 p  gh  const 2
Thế năng vị trí của chất lỏng hầu như trong tất cả các trường hợp ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực thường được bỏ qua do có giá trị quá nhỏ so với động năng và áp năng. Như vậy phương trình Bernoulli trong kỹ thuật thuỷ lực có thể viết : v 2 p  const 2 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN Mã số của chương 1: MH 13 - 01 Mục tiêu: - Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống truyền động khí nén - Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động các máy nén khí,mô tô khí nén, xi lanh khí nén. - Trình bày được các loại van trong hệ thống điều khiển khí nén và sơ đồ các mạch lôgic. Nội dung: 1.Khái nệm về truyền động khí nén: 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. 1.2. Sơ đồ hệ thống truyền động khí nén: Moät heä thoáng ñieàu khieån thöôøng bao goàm ít nhaát laø moät maïch ñieàu khieån goàm coù caùc phaàn töû ñöôïc moâ taû nhö sau: Phaàn töû ñöa tín hieäu Cô caáu chaáp haønh Phaàn töû ñöa tín hieäu Phaàn töû ñieàu khieån Phaàn töû xöû lyù tín hieäu Phaàn töû ñöa tín hieäu Hình 2.1.Sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén
2. Máy nén khí và thiết bị xử lý khí nén: Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, 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. 2.1. Máy nén khí 2.1.1. Nhiệm vụ và phân loại máy nén khí: a. Nhiệm vụ: 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. Phân loại: - Theo áp suất: * Máy nén khí có áp suất thấp p  15 bar. * Máy nén khí có áp suất cao p  15 bar. * Máy nén khí có áp suất rất cao p  300 bar. - Theo nguyên lý hoạt động: * Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pít tông, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục. * Máy nén khí tua - bin: 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. 2.1.2. Máy nén kiểu piston Máy nén piston (hình 2.2) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất đến 500 m3/phút. Máy nén 1 piston có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại 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 2.2. Máy nén khí kiểu piston
2.1.3.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 2.3). 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 2.3. Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít Hình 2.4. Quá trình hút, nén và đẩy của máy nén trục vít
2.1.4.Máy nén kiểu cánh gạt: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt mô tả ở hình 2.5: 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 2.5. Máy nén khí kiểu cánh gạt 2.1.5. Máy nén khí kiểu Root. Máy nén khí kiểu root gồm có hai hay ba cánh quạt (pít tông có dạng hình số 8). Các pít tông đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và trong quá trình quay không tiếp xúc với nhau. Nhờ vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe hở giữa hai pít tông, khe hở giữa phần quay và thân máy. Máy nén khí kiểu root tạo ra áp suất không phải theo nguyên lý thay đổi thể tích mà có thể gọi là sự nén từ dòng phía sau. Điều đó có nghĩa là: khi rô to quay được một vòng thì vẫn chưa tạo được áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rô to quay tiếp đến vòng thứ hai thì dòng lưu lượng đó đẩy vào dòng thứ hai, với nguyên tắc này thì tiếng ồn sẽ tăng lên. Buoàng huùt R a b r Buoàng ñaåy Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root
2.2. Thiết bị xử lý khí nén: 2.2.1.Yêu cầu 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 vào phạm 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. 2.2.2. Bộ lọc khí: Hình 2.7. Bộ lọc khí 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 pháp xử lý. Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc để xử lý khí nén (hình 2.7). Van lọc khí (hình 2.8) 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 2.8. Van lọc khí nén 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 2.9). Hình 2.9. Van dầu 2.2.3. Xử lý hơi nước:
Trong những lãnh vực đòi hỏi chất lượng khí nén cao, hệ thống xử lý khí nén được phân ra làm 3 giai đoạn: a/ Lọc thô: Khí nén được làm mát tạm thời khi từ trong máy nén khí ra để tách chất bẩn. Sau đó khí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước. Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén. b/ Phương pháp sấy khô: - Bình ngưng tụ làm lạnh bằng không khí: Khí nén 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. Làm lạnh bằng không khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được trong khoảng từ 300C đến 350C. Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ là 100C) thì nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 200C. 1 7 Bình ngöng tuï: 1/.Van an toaøn. 2/. Heä thoáng oáng daãn nöôùc laøm laïnh. 2 3/. Ñöôøng nöôùc laøm laïnh vaøo 6 4/. Khí neùn sau khí ñöôïc laøm laïnh. 3 5/. Taùch nöôùc chöùa trong khí neùn. 6/. Nöôùc laøm laïnh ñi ra. 4 7/. Khí neùn ñöôïc daãn vaøo. 5 Hình 2.10. Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước. - Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh Nguyên lý của phương pháp sấy khô bằng chất làm lạnh là: khí nén đi qua bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí. Tại đây, dòng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng dòng khí nén đã được sấy khô và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên. 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 cho dòng khí nén chuyển động đảo chiều trong những ống dẫn. Nhiệt độ hóa sương tại đây là 2 0C. Như vậy lượng hơi nước trong dòng khí nén vào sẽ được ngưng tụ. Dầu, nước, chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được đưa ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động (4). Dòng khí nén được làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt (1), để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 6 0C đến 80C, trước khi đưa vào sử dụng.
Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát chất làm lạnh (5). Sau khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên, bình ngưng tụ (6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió. Van điều chỉnh lưu lượng (8) và rơle điều chỉnh nhiệt độ (7) có nhiệm vụ điều chỉnh dòng lưu lượng chất làm lạnh hoạt động trong khi có tải, không tải và hơi quá nhiệt. 1 1/ Boä phaän trao ñoåi nhieät Khí - khí 2/. Boä phaän trao ñoåi nhieät Khí - Chaát laøm laïnh 3/. Boä phaän keát tuûa 2 4/. Van thoaùt nöôùc ngöng tuï töï ñoäng 8 5/. Maùy neùn cuûa boä phaän laøm laïnh 7 6/. Bình ngöng tuï 7/. Rô le ñieàu chænh nhieät ñoä 3 8/. Van ñieàu chænh löu löôïng chaát laøm laïnh 4 6 5 Hình 2.11. Sấy khô bằng chất làm lạnh. - Thiệt bị sấy khô bằng hấp thụ: * Qúa trình vật lý: Chất sấy khô hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ở trong không khí ẩm. Thiết bị gồm 2 bình. Bình thứ nhất chứa chất sấy khô và thực hiện quá trình hút ẩm. Bình thứ hai tái tạo lại khả năng hấp thụ của chất sấy khô. Chất sấy khô thường được sử dụng : silicagen SiO2, nhiệt độ điểm sương –500C; tái tạo từ 1200C đến 1800C. Quaù trình saáy khoâ Khí neùn töø Khí neùn ñöôïc saáy khoâ maùy neùn ra Chaát saáy khoâ Quaù trình taùi taïo Khí noùng baõo hoøa Khí noùng Hình 2.12. Sấy khô bằng hấp thụ * Quá trình hóa học: Thiết bị gồm 1 bình chứa chất hấp thụ (thường dùng là NaCl). Không khí ẩm được đưa vào cửa (1) đi qua chất hấp thụ (2). Lượng hơi nước trong không khí kết hợp với chất hấp thụ tạo thành giọt nước lắng xuống đáy bình. Phần nước ngưng tụ được dẫn ra ngoài bằng van (5). Phần không khí khô sẽ theo cửa (4) vào hệ thống.
3 2 4 1 5 Hình 2.13. Sấy khô bằng hóa chất. 3. Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén: 3.1. Khái niệm: 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 3.2. Van đảo chiều: 3.2.1. Nhiệm vụ, phân loại van đảo chiều: a. Nhiệm vụ: 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. b. Phân loại: * Căn cứ vào số cửa và số vị trí: