chương 1: MH 13 - 01 Giới thiệu: Dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người ngày càng sử dụng được hiểu quả các nguồn tài nguyên thiên nhiên vào trong kỹ thuật phục vụ đời sống mà trước đây tưởng như không thể. Công nghệ khí nén đã đưa nguồn tài nguyên bất tận của thiên nhiên là không khí vào các máy móc để biến chúng thành năng lượng, giúp ích cho đời sống con người. Mục tiêu: - Phát biểu đúng các khái niệm, yêu cầu và các thông số của truyền động bằng khí nén - Giải thích được các quy luật truyền dẫn của khí nén - Phát biểu đúng yêu cầu, nhiệm vụ và phân loại hệ thống truyền động bằng khí nén - Giải thích được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng khí nén - Nhận dạng được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền động bằng khí nén - Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén. Nội dung chính: 1.1 KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÍ NÉN Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm và yêu cầu của truyền động khí nén - Trình bày được quá trình sản xuất khí nén - Trình bày được các thông số của truyền động khí nén - Sử dụng được các công thức vào các bài tập tính toán có liên quan Khái quát chung Bên cạnh các chất lỏng thủy lực như nước và dầu, khí nén cũng là 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 2 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… 1.1 Khái niệm về hệ thống truyền động khí nén 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.2 Sản xuất 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.
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. 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 piston (hình 1.1) 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. 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. 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. Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít 4 Hình 1. Quá trình hút, nén và đẩy của máy nén trục vít * Máy nén kiểu cánh gạt (Rotary compressors) Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt mô tả ở hình 1.2: không khí sẽ được vào buồng hút.
Nhờ rôto và stato đặt lệch tâm, nên khi rôto quay chiều sang phải, thì không khí vào buồng nén. Sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy. Máy nén khí kiểu cánh gạt 5 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.
Hệ thống, thiết bị phân phối khí nén 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. 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 phương 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. 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. Các yếu tố cơ bản - Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q=v. 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 cua của ống hoặc nối ống, van, những nơi có tiết diện nhỏ lại sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng 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. Thực tế sai số cho 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. Giá trị hệ số cản tương đương chiều dài ống dẫn l 1.4 Xử lý khí nén Hình 1. Bộ lọc khí 8 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 1. 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.