Giáo trình Điều khiển khí nén - Bộ môn Tự động hóa Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội (2012)

• Trường học: Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Giáo trình Điều khiển khí nén
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình điều khiển khí nén

Điều khiển khí nén là ngành kỹ thuật ứng dụng năng lượng khí nén để vận hành các cơ cấu chấp hành trong hệ thống tự động hóa. Giáo trình điều khiển khí nén cung cấp kiến thức nền tảng từ lý thuyết đến thực hành cho sinh viên và kỹ sư. Nội dung bao gồm nguyên lý khí nén, cấu tạo thiết bị, mạch điều khiển và ứng dụng thực tế. Giáo trình Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội năm 2012 là tài liệu tiêu biểu, trình bày hệ thống từ cơ sở lý thuyết đến bài tập thực hành. Hệ thống khí nén sử dụng không khí nén làm môi truyền động, có ưu điểm sạch, an toàn, chi phí thấp. Phạm vi ứng dụng trải rộng từ công nghiệp sản xuất, xây dựng đến y tế. Giáo trình hướng dẫn cách thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống khí nén đạt hiệu quả cao. Kiến thức trong giáo trình giúp người học nắm vững cấu tạo máy nén khí, xi lanh, van điều khiển và mạch khí nén cơ bản.

1.1. Lịch sử phát triển của điều khiển khí nén

Ứng dụng khí nén bắt đầu từ trước công nguyên. Nhà triết học Hy Lạp Ktesibios và học trò Heron đã chế tạo thiết bị bắn tên khí nén. Đến thế kỷ 17, Otto von Guerike, Blaise Pascal và Denis Papin xây dựng nền tảng lý thuyết. Thế kỷ 19 đánh dấu bước tiến lớn với phát minh thư vận chuyển trong ống khí nén năm 1835, phanh khí nén năm 1880 và búa tán đinh năm 1861. Paris từng có trung tâm khí nén công suất 7350kW với đường ống kính 500mm dài nhiều km.

1.2. Vị trí của giáo trình trong đào tạo nghề

Giáo trình điều khiển khí nén đóng vai trò cốt lõi trong chương trình đào tạo ngành Tự động hóa. Tài liệu được biên soạn theo hướng thực hành, phù hợp với hệ thống giáo dục nghề nghiệp. Giáo trình cung cấp kiến thức từ cơ bản đến nâng cao, giúp sinh viên hiểu nguyên lý hoạt động và kỹ năng lắp đặt mạch khí nén. Nội dung bám sát yêu cầu thực tế sản xuất công nghiệp, đảm bảo người học có khả năng áp dụng ngay sau khi tốt nghiệp.

II. Phân tích nội dung cơ sở lý thuyết về khí nén

Chương cơ sở lý thuyết trình bày các khái niệm nền tảng về khí nén và đặc tính của không khí nén. Không khí là hỗn hợp khí tự nhiên, khi được nén sẽ tích trữ năng lượng có thể chuyển đổi thành công cơ học. Giáo trình giải thích chi tiết về áp suất, lưu lượng, nhiệt độ và các quy luật khí lý tưởng. Nội dung phân loại hệ thống khí nén thành ba nhóm chính: hệ thống tạo khí nén, hệ thống xử lý khí nén và hệ thống chấp hành. Mỗi nhóm có cấu tạo và nguyên lý riêng biệt. Giáo trình cũng trình bày các thông số kỹ thuật quan trọng khi thiết kế hệ thống. Bài tập ôn tập được đưa ra để củng cố kiến thức, bao gồm tính toán đường kính ống, tổn thất áp suất và lưu lượng. Phần lý thuyết này tạo nền tảng vững chắc cho các chương thực hành phía sau.

2.1. Đặc tính và tính chất của khí nén

Khí nén có nhiều đặc tính quan trọng cần nắm vững. Không khí nén có tính đàn hồi, nghĩa là thể tích thay đổi theo áp suất. Nhiệt độ tăng khi nén và giảm khi giãn nở. Độ ẩm trong khí nén ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Giáo trình trình bày quy luật Boyle-Mariotte và quy luật Gay-Lussac áp dụng cho khí nén. Các thông số như áp suất làm việc thường từ 6 đến 8 bar, nhiệt độ vận hành dao động trong giới hạn cho phép. Hiểu rõ đặc tính giúp thiết kế hệ thống hiệu quả.

2.2. Phân loại hệ thống cung cấp khí nén

Hệ thống cung cấp khí nén gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ. Bộ phận chính bao gồm máy nén khí, bình chứa, bộ xử lý khí và mạng đường ống phân phối. Máy nén khí có ba loại phổ biến: piston, cánh gạt và tuabin. Bình chứa có nhiệm vụ tích trữ và ổn định áp suất. Bộ xử lý khí bao gồm bộ lọc, bộ điều áp và bộ bôi trơn. Mạng đường ống phân phối khí nén đến các điểm sử dụng. Giáo trình hướng dẫn cách tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu thực tế.

III. Phân tích các loại máy nén khí trong giáo trình

Giáo trình trình bày chi tiết ba loại máy nén khí chính: piston, cánh gạt và tuabin. Máy nén piston hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích buồng nén bằng chuyển động tịnh tiến của piston. Ưu điểm là cứng vững, hiệu suất cao, cấu tạo đơn giản. Khuyết điểm là tạo khí nén theo xung, thường có dầu và gây ồn. Máy nén cánh gạt sử dụng rôto lệch tâm với các cánh gạt trượt trong khe. Tốc độ rôto từ 3000 đến 8500 vòng/phút, công suất từ 0,1 đến 17kW. Máy nén tuabin chuyển đổi động năng dòng khí qua vòi phun thành năng lượng cơ học, tốc độ có thể đạt 500000 vòng/phút. Giáo trình còn mô tả nguyên lý hoạt động qua biểu đồ áp suất-thể tích p-V, giúp hiểu rõ chu kỳ nén. Mỗi loại máy có ứng dụng riêng tùy theo yêu cầu công suất, áp suất và môi trường làm việc.

3.1. Máy nén khí kiểu piston và ưu nhược điểm

Máy nén piston gồm xi lanh, piston, thanh truyền và trục khuỷu. Piston di chuyển tịnh tiến trong xi lanh để nén không khí. Giáo trình mô tả hai chế độ điều khiển: dùng rơ le áp suất để bật tắt động cơ khi đạt giới hạn 6,5 đến 8,5 bar, và chế độ chạy không tải với rơ le thời gian. Ưu điểm là kết cấu cứng vững, hiệu suất cao. Khuyết điểm là khí nén tạo ra theo xung, thường lẫn dầu và gây tiếng ồn lớn trong quá trình vận hành.

3.2. Máy nén khí kiểu cánh gạt và nguyên lý hoạt động

Máy nén cánh gạt hoạt động dựa trên nguyên lý rôto lệch tâm so với stato. Không khí được hút vào buồng hút khi rôto quay, sau đó bị nén trong buồng nén và đẩy ra ở buồng đẩy. Quá trình thể hiện trên biểu đồ p-V gồm bốn đoạn: hút, nén, đẩy và xả. Một số động cơ có thêm lò xo đẩy để cánh gạt tiếp xúc tốt với vách. Tốc độ rôto đạt 3000 đến 8500 vòng/phút. Loại máy này có kích thước nhỏ gọn, phù hợp nhiều ứng dụng công nghiệp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình điều khiển khí nén

Kiến thức từ giáo trình điều khiển khí nén được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Trong sản xuất chế tạo, hệ thống khí nén điều khiển máy ép, máy đóng gói và băng chuyền tự động. Ngành xây dựng sử dụng khí nén cho máy khoan, máy đầm và thiết bị nâng hạ. Giáo trình cung cấp kỹ năng thiết kế mạch khí nén với các loại xi lanh tác động đơn và kép, van điều khiển hướng và van tiết lưu. Bài tập thực hành giúp sinh viên nắm vững cách lắp đặt, vận hành và bảo trì hệ thống. Kiến thức về tính toán đường kính ống, tổn thất áp suất và lựa chọn thiết bị rất cần thiết cho kỹ sư tự động hóa. Giáo trình cũng đề cập đến động cơ khí nén kiểu bánh răng, piston, cánh gạt và tuabin với cấu tạo và nguyên lý chi tiết. Nền tảng này giúp người học tiếp cận công nghiệp 4.0 và hệ thống điều khiển tự động hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất

Hệ thống khí nén đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất tự động. Xi lanh khí nén thực hiện các thao tác đẩy, kẹp, nâng và định vị sản phẩm. Van điều khiển hướng điều phối luồng khí đến các cơ cấu chấp hành theo trình tự logic. Giáo trình hướng dẫn thiết kế mạch tuần tự sử dụng van xylanh và van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ. Trong ngành ô tô, khí nén dùng cho robot hàn và thiết bị lắp ráp. Ứng dụng trong đóng gói thực phẩm, dược phẩm cũng rất phổ biến nhờ tính sạch và an toàn.

4.2. Bài tập thực hành và kỹ năng cần thiết

Giáo trình cung cấp nhiều bài tập thực hành thiết thực. Sinh viên tính toán đường kính ống khí nén dựa trên lưu lượng và tổn thất áp suất cho trước. Bài tập về cấu tạo xi lanh tác động đơn và kép giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động. Các câu hỏi yêu cầu trình bày đặc điểm phân loại động cơ khí nén. Kỹ năng đọc ký hiệu khí nén theo tiêu chuẩn là nền tảng để thiết kế mạch. Thực hành lắp ráp và vận hành mạch khí nén trên thiết bị mô phỏng giúp củng cố lý thuyết. Những kỹ năng này đáp ứng yêu cầu tuyển dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Bộ môn Tự động hóa \ GIÁO TRÌNH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN (Lưu hành nội bộ) Hà Nội năm 2012 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén Tuyên bố bản quyền Giáo trình này sử dụng làm tài liệu giảng dạy nội bộ trong trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội không sử dụng và không cho phép bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào sử dụng giáo trình này với mục đích kinh doanh. Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác hay ở nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội 2 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén CHƯƠNG I: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN 1. Khái niệm chung 1. Khái niệm Ứng dụng khí nén bắt đầu từ trước công nguyên. Ví dụ: nhà triết học người Hi Lạp Ktesibios (năm 140, trước Công nguyên) và học trò của ông là Heron (năm 100, trước Công nguyên) đã chế tạo ra thiết bị bắn tên hay ném đá khí nén (hình l. Dây cung được căng bằng áp suất khí trong 2 xilanh thông qua 2 đòn bẩy nối với 2 Piston của 2 xilanh đó. Khi buông dây cung ra, áp suất của không khí nén làm tăng vận tốc bay của mũi tên. Sau đó một số phát minh sáng chế của Klesibios và Heron như: thiết bị đóng, mở cửa bằng khí nén; Bơm súng phun lửa cũng được sáng chế trong thời kỳ này. Khái niệm ''Pneumatica'' cũng được dùng trong thập kỷ này. Từ "Pneumatic" xuất phát từ tiếng cổ Hy Lạp có nghĩa là "gió", "hơi thở", còn trong triết học có nghĩa là "linh hồn". Thuật ngữ "Pneuma" để chỉ một ngành khoa học về khí động học và các hiện tượng liên quan đã được đúc kết. Tuy nhiên sự phát triển của khoa học kĩ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lí, vật liệu còn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế. Mãi cho đến thế kỷ 17, kĩ 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 vật lí 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) của Josef Ritter (Austria), phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861). Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sĩ (1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén lớn với công 3 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén suất 7350kW. Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500 mm và dài nhiều km. Tại đó khí nén được nung nóng lên nhiệt độ từ 50 0 C đến 1500 C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi. Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực, mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn, sử dụng năng lượng bằng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh. và nhiều nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. Thời gian sau chiến tranh Thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kĩ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ. Với những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau, sự kết hợp khí nén với điện-điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kĩ thuật điều khiển trong tương lai. Hãng FESTO (Đức) có những chương trình phát triển hệ thống điều khiển bằng khí nén rất đa dạng, không những phục vụ cho công nghiệp, mà còn phục vụ cho sự phát triển các phương tiện dạy học (Didactic) 1. Khả năng ứng dụng của khí nén - Trong hệ thống điều khiển. +Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. + Được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó có nhiều nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gỗ kẹp chi tiết. - Hệ truyền động. + Các dụng cụ thiết bị máy va đập Các thiết bị máy móc như khai thác đá, than, trong các công trình xây dựng, xây dựng hầm mỏ, đường hầm. - Truyền động quay. + Truyền động động quay với công suất lớn, trọng lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ cùng công suất. Nhưng giá thành cao, giá thành tiêu thụ điện của động cơ quay bằng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện. 4 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén + Sử dụng phù hợ với những dụng cụ vặn vít, khoan công suất khoảng từ 3,5kW; máy mài, công suất khoảng 2,5kW; máy mài công suất nhỏ có số vòng quay 100. Ưu nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 1. Ưu điểm - Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, cho nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi. Như vậy có khả năng thành lập một trạm trích chứa khí nén. - Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, do có độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tỏn thất áp suất trên đườn dẫn ít. - Đường dãn khí nén ra không cần thiết thải ra ngoài không khí. - Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén. - Hệ thống phòng ngừa quá áp suất được đảm bảo. Nhược điểm - Lực truyền trọng tải thấp - Không thể thực hiện nhưng truyền động thẳng hoặc quay đều vì khi tải trọng trong hệ thay đổi, thì vận tốc cũng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén lớn. - Dòng khí nén thoát ra đường ống dẫn gây tiếng ồn. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén - Độ an toàn quá tải Khi hệ đạt được áp suất làm việc tới hạn thì truyền động vẫn an toàn, không có sự cố, hư hỏng xảy ra. + Truyền động điện – cơ (-): ít hơn truyền động bằng khí nén + Truyền động bằng thuỷ lực (=): Bằng truyền động bằng khí nén + Truyền động bằng cơ (-) : ít hơn truyền động bằng khí nén - Sự truyền tải năng lượng. Tổn thất thấp và giá đầu tư cho mạng truyền tải bằng khí nén tương đối thấp. + Truyền tải năng lượng điện (+): Thích hợp hơn truyền động bằng khí nén. + Truyền tải thuỷ lực (-): Ít hơn so với truyền động bằng khí nén. + Truyền tải bằng cơ ( - ): Ít hơn so với truyền động bằng khí nén. - Tuổi thọ và bảo dưỡng 5 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén Hệ thống truyền động bằng khí nén hoạt động tốt, khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây ảnh hưởng với môi trường. Tuy nhiên hệ thống đòi hỏi cao về vấn đề lọc chất bẩn của không khí trong hệ thống. + Hệ thống điện – cơ (-/+), hệ thống cơ (-), hệ thống thủy lực (=), hệ thống điện (-). - Khả năng thay thế những phần tử , thiết bị Trong hệ thống truyền động bằng khí nén , khả năng thay thế các phần tử dẽ dàng. + Điều khiển bằng điện (+), hệ thống điều khiển cơ (-), hệ thống điều khiển bằng thủy lực (=). - Vận tốc truyền động Do trọng lượng các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nên truyền động có thể đạt được với vận tốc rất cao. - Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất Điều chỉnh được lưu và áp suất một cách và đơn giản. Tuy nhiên với sự thay đổi tải trọng tác động thì vận tốc cũng bị thay đổi. - Vận tốc truyền tải Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm.1 phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống điều khiển khác nhau 6 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén 1. Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển 1. Áp suất Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ SI là Pascal (Pa). 1 Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m 2 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). Ngoài ra còn dùng đơn vị bar, với 1 bar = 105 Pa. Lực Đơn vị của lực là Newton (N). 1 Newton (N) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng 1 kg với gia tốc 1m/s2 . Công Đơn vị của công là Joule (J). 1 Joule (J) là công sinh ra dưới tác động của lực 1 N để vật thể dịch chuyển quảng đường 1 m. Công suất: Đơn vị của công suất là Watt. 7 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén 1Watt (W) là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule. Độ nhớt động Độ nhớt động không có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển bằng khí nén. Đơn vị của độ nhớt động là m2/s. 1 m2/s là độ nhớt động của một chất lỏng có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1 kg/m3 Trong đó: η: độ nhớt động [Pa. ρ: khối lượng riêng [kg/m3]. Ngoài ra, người ta còn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động là stokes (St) hoặc là centistokes (cSt).1 Sự phụ thuộc áp suất, nhiệt độ và độ nhớt động của không khí. Cơ sở tính toán khí nén. Thành phần hóa học của khí nén. Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị nén khí là hút không khí trong khí quyển vào trong máy nén khí. Sau đó khí nén được đưa tới các thiết bị khí nn. Khơng khí l loại khí hỗn hợp bao gồm những thnh phần sau: Bảng 1.2 Thành phần khí trong không khí. 8 Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội Giáo trình Điều khiển khí nén N2 O2 Ar CO2 H2 Ne.