Chương 1 Khái niệm về khí nén, ứng dụng của khí nén Mục tiêu: Trình bày được các đơn vị đo các đại lượng cơ bản: áp suất, lưu lượng, thể tích, công suất. Xác định được các loại tổn thất trong hệ thống thuỷ lực. Trình bày được các yêu cầu của dầu dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. 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 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 7 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 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 500 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. Khả năng ứng dụng của khí nén 1.
Ưu nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 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. 8 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.2 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 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 9 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 10 Chương 2 Máy nén khí và thiết bị xử lý khí nén Miêu tả chức năng của các phần tử khí nén được ứng dụng trong công nghiệp. Biểu diễn được các qui trình công nghệ điều khiển bằng khí nén dưới các dạng biểu đồ trạng thái. Ứng dụng lắp ráp thành thạo các mạch điều khiển khí nén đơn giản với các phần tử khí nén trong công nghiệp.
Chủ động, sáng tạo và an toàn trong thực hành. Máy nén khí 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. Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí: Nguyên tắc hoạt động Nguyên lý thay đổi thể tích Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích của buồng chứa sẽ nhỏ lại. Như vậy theo định luật Boy Mariotte, áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên.
Các lọai máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu pit - tông, bánh răng, cánh gạt. Nguyên lý động năng Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất rất lớn. Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như máy nén khí kiểu ly tâm.
Phân loại: - Theo áp suất: + Máy nén khí áp suất thấp p ≤ 15 bar. + Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar. + Máy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 bar. - Theo nguyên lý hoạt động: + Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: 11 + Máy nén khí kiểu pít - tông, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.
+ Máy nén khí tua - bin: + Máy nén khí kiểu ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. Phạm vi ứng dụng của các loại máy nén khí: Thông số kỹ thuật để chọn máy nén khí là áp suất p và lưu lượng Q. Thiết bị xử lý 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.
Các lọai bụi bẩn như hạt bụi, chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí được xử lý trong thiết bị gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau đókhí nén được dẫn đến bình ngưng tụ hơi nước. Giai đoạn này gọi là giai đoạn xử lý thô. Nếu thiết bị xử lý giai đoạn này tốt thì khí nén có thể được sử dụng cho những dụng cụ dùng khí nén cầm tay, những thiết bị đồ gá đơn giản. Khi sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển và một số thiết bị đặc biệt thì yêu cầu chất lượng khí nén cao hơn.
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.
12 Chương 3 Thiết bị phân phối và cơ cấu chấp hành Mô tả chức năng và ứng dụng của các phần tử khí nén thường dùng trong công nghiệp. Xác định giải pháp cho các vấn đề liên quan tới các quy trình công nghiệp theo nhóm.