1.1 Những đặc điểm cơ bản
• Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại. Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động;
Trong công nghiệp gia công cơ khí; trong công nghiệp khai thác khoáng sản…
• Các dạng truyền động sử dụng khí nén:
+ Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm…
+ Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dưới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vòng/phút. Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện.
• Những ưu nhược điểm cơ bản:
+ Ưu điểm:
Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng.
Trong thực tế vận hành, người ta thường xây dựng trạm nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc…
Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ;
Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại cho môi trường.
Tốc độ truyền động cao, linh hoạt;
Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác;
Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.
+ Nhược điểm:
Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện;
Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực hiện.
Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.
Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống khí nén, người ta thường kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng các giải pháp điều khiển khác nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình, máy tính…
1.2 Cấu trúc của hệ thống khí nén ( The structure of Pneumatic Systems)
Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bi:
- Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý khí nén( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…),…
- Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành.
- Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén, giác hút…
Dựa vào dạng năng lượng của tín hiệu điều khiển, người ta chia ra hai dạng hệ thống khí nén: Hệ thống điều khiển hoàn toàn bằng khí nén, trong đó tín hiệu điều khiển bằng khí nén và do đó kéo theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén
– Gọi là Hệ thống điều khiển bằng khí nén ( Hình 1.1a) và Hệ thống điều khiển điện – khí nén - các phần tử điều khiển hoạt động bằng tín hiệu điện hoặc kết hợp tín hiệu điện – khí nén (Hình 1.1b).
Hình 1.1a Cấu trúc hệ thống điều
khiển bằng khí nén
Hình 1.1b Hệ thống điện – khí nén
Vài ví dụ về ứng dụng khí nén,
hình 1.2a mô tả thiết bị nạp phôi.
Thiết bị phải được điều khiển sao cho các Xilanh 1A1, 1A2 khống chế từng cặp hai phôi được chuyển qua. Số lượng và tốc độ nạp phôi cũng được điều khiển theo ý muốn.
Hình 1.2b mô tả thiết bị khoan chi tiết tự động.
Các xilanh được điều khiển theo từng chu trình khép kín hoặc liên tục nhiều chu trình. Xilanh 1A cấp phôi từkho nạp phôi và kẹp chặt. Xilanh 2A dẫn tiến khoan, độ sâu lỗ khoan được kiểm soát bằng các cữ chặn. Khi độ sâu lỗ khoan đã thỏa mãn, 2A tự động rút lên. Khi 2A đã rút về tới vị trí ban đầu, 1A sẽ được điều khiển rút về và 3A đẩy sản phẩm vào thùng chứa.
Qua các ví dụ trên, nhiêm vụ của những người làm về kỹ thuật hệ thống khí nén là:
- Đọc và phân tích được nguyên lý hoạt động của hệ thống thông qua sơ đồ;
- Mô tả được nguyên lý cấu tạo, nguyên tắc làm việc, các thông số cơ bản của các phần tử hợp thành hệ thống;
- Thiết kế, lắp đặt và hiệu chỉnh hệ thống;
- Bảo dưỡng hệ thống;
- Bảo trì: cài đặt thông số về thời gian, áp lực, tốc độ làm việc…theo yêu cầu công nghệ;
- Xác định lỗi, lập kế hoạch và thực hiện sửa chữa;
- Nắm chắc và thực hiện các quy trình vận hành, an toàn lao động;
Hình 1.3a Sơ đồ hệ thống điều khiển Điện- khí nén
Hình 1.3b Sơ đồ hệ thống điều khiển
1.3 Một số cơ sở tính toán trong khí nén
Bảng các đại lượng và đơn vị thường dùng trong kỹ thuật khí nén
1. Đơn vị đo áp suất:
Đơn vị thường dùng là Pascal (Pa). 1 Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1N
Trong thực tế còn dùng đơn vị bội số của Pascal là Mpa(Mêga pascal)=106Pa
Đơn vị bar: 1bar = 105Pa và coi 1bar ~ 1at
Ngoài ra, người ta còn dùng psi, 1psi = 0,6895bar và 1bar = 14,5 psi
2. Các định nghĩa về áp suất không khí
Pamb là áp suất môi trường xung quanh ( ambient pressure) hay áp suất khí quyển ( atmospheric pressure), nó thường dao động theo địa hình hoặc thời tiết, Pamb ≈ 1bar so với chân không tuyệt đối (Vacuum).
Áp suất tuyệt đối (Pabs) là giá trị áp suất so với chân không tuyệt đối.
Như vậy, tại chân không Pabs=0.
Áp suất tương đối hay áp suất dư (Pe): Pe= Pabs- Pamb
Hình 1.4 chỉ rõ hai trường hợp về áp suất dư: Pe>0 khi tại điểm đo, áp suất tuyệt đối cao hơn áp suất khí quyển ; và ngược lại Pe<0.
Chú ý: Trong hệ thống khí nén – các thông số kỹ thuật của thiết bị về áp suất đều được biểu diễn ở dạng áp suất dư Pe và ký hiệu ngắn gọn là P.
3. Các định luật trong tính toán về khí nén:
3.1 Khi nhiệt độ không khí trong quá trình nén không đổi (T = const), thì:
Pabs. V = const (Định luật Boy Mariotte)
hoặc P1.V1 = P2.V2
trong đó:
Các ký hiệu P1 , P2 là áp suất tuyệt đối
Thể tích khí nén V1 [m3] ở áp suất P1
Thể tích khí nén V2 [m3] ở áp suất P2
Hình 1.5 mô tả quá trình này. Đây là nguyên lý cơ bản của các máy nén khí
3.2 Khi áp suất được giữ không đổi (P = const), thì:
trong đó, V1 là thể tích khí tại nhiệt độ T1
V2 là thể tích khí tại nhiệt độ T2
3.3 Khi giữ thể tích khí nén không đổi (V= const), thì:
3.4 Khi cả ba đại lượng(P, V, T) có thể thay đổi, thì:
4. Lưu lượng:
Lưu lượng dòng khí nén được tính:
trong đó, Q: lưu lượng; V: thể tích khí chuyển qua tiết diện ngang của đường ống hay buồng xilanh trong 1 đơn vị thời gian t
Lưu lượng dòng khí nén có ý nghĩa quan trọng trong xác định tốc độ làm việc của các cơ cấu chấp hành.
5. Lực
Lực đẩy hay kéo của Piston( hình 1.6) gây bởi tác dụng của khí nén có áp suất P được tính theo công thức:
F = P.A = [N]
trong đó, P là áp suất khí nén [Pa]
A là điện tích bề mặt Piston[m2]
F lực tác dụng vuông góc với bề mặt Piston [N]
Trong hình vẽ, các diện tích A1 , A2 khác nhau ( A2 = A1 –A3), A3 là diện tích tiết diện của cần piston, nên các lực tác dụng cũng khác nhau tại cùng một nguồn khí nén có áp suất P. F1=P.A1; F2=P.A2 Æ F1>F2
6. Tốc độ truyền động của xilanh
Khi tải trọng của truyền động không đổi, tốc độ truyền động được xác định theo quan hệ:
như vậy, trong trường hợp dung tích hành trình của cơ cấu chấp hành và tải trọng không đổi, tốc độ truyền động tỷ lệ với lưu lượng Q.
Trong kỹ thuật khí nén, người ta dùng các van tiết lưu ( điều tiết lưu lượng) để khống chế tốc độ của các cơ cấu chấp hành.
Các bài tập ứng dụng:
1. Nén 4m3 khí quyển vào bình chứa có thể tích bằng 0,5m3 bằng máy nén khí (giả thiết quá trình nén, nhiệt độ khí không đổi). Hãy tính áp suất khí nén trong bình.
2. Một máy nén khí có lưu lượng hút Q = 3m3/min, nén vào bình chứa có thể tích 0,5m3. Hãy tính thời gian cần thiết để bình được nạp đầy khí nén có áp suất P=6bar và nhiệt độ là T=293K. Biết rằng, khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn ( Pn = 1,013 bar và T=273K).
3. Một xilanh ( như hình vẽ 1.6) có đường kính trong D = 8 cm, đường kính cần piston d= 2cm, làm việc cả hai chiều đẩy – kéo với áp suất P=6bar. Tính các lực đẩy, kéo.
4. Xilanh như bài 3, nếu lưu lượng vào xilanh để đẩy piston đi ra Q=4l/s thì tốc độ piston là bao nhiêu? Giả thiết tải trọng không đổi.