Giáo trình Hệ thống khí nén-Thủy lực - Chương 2: Cung cấp, xử lý và phân phối nguồn năng lượng

n khí áp suất rất cao: P > 100barb) Theo nguyên lý hoạt động - Máy nén khí thể tích - Máy nén khí động năng 1.3. Máy nén khí piston (Piston compressors) MNK kiểu màngMNK piston chiều trụcMáy nén piston hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích, nĩ được dùng khá phổ biến hiện nay với áp suất trên 6 bar và lưu lượng đến 10m3/phútMNK piston 1 cấp áp suất cĩ thể đạt 12barMNK piston 2 cấp áp suất cĩ thể đạt 20barVIDEOLưu lượng trung bình của máy nén khí kiểu piston được tính Qv = η.V.n.103 [m3/phút]. Trong đĩ: V thể tích khí tải /1 vịng quay, [lít] n số vịng quay trục máy nén, [v/ph] η hiệu suất, [%]MNK piston 3 cấp 1.3. Máy nén khí piston (Piston compressors) 1.4. Máy nén khí cánh gạt (Vane compressors) Qv = 2 η (D – Z.) e b n; [m3/ph] Trong đĩ:  chiều dày cánh gạt [m] Z số cánh gạt n số vịng quay rơto [v/p] η hiệu suất (η = 0,7 - 0,8) e độ lệch tâm [m] D đường kính stato [m] b chiều rộng cánh gạt [m]e Máy nén khí cánh gạt hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Khi roto quay lực ly tâm làm các cánh gạt văng ra tì sát vào thành stator tạo thành các buồng hút và nén khơng khí. Lưu lượng của máy nén khí được tính:VIDEO Máy nén khí cánh gạt một cấp cĩ thể tạo ra áp suất 50 psi, với máy 2 cấp cĩ thể tạo ra áp suất 150 psi. 1.4. Máy nén khí cánh gạt (Vane compressors) 1.5. Máy nén khí kiểu trục vít (Screw compressor) Lưu lượng máy nén khí kiểu trục vít được tính: Qv = η q n [m3/ph] q lưu lượng /vịng [m3/vịng] η Hiệu suất, η phụ thuộc số vịng quay n số vịng quay trục chính [v/ph] n η 4.500 0.805.000 0,826.000 0,86 Khi hoạt động thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ bị thay đổi khi trục vít quay trịn.VIDEOVIDEO2 Máy nén khí trục vít cơng nghiệpVì cĩ nhiều ưu điểm như làm việc êm, ổn định, cơng suất lớn... nên hiện nay loại máy nén khí này được dùng rất phổ biến trong cơng nghiệp. MNK trục vít làm mát bằng giĩ của Fusheng 1.6. Máy nén khí cánh lồi (Roots)Lưu lượng MNK kiểu cánh lồi được tính: Qv = 2 η q n ; [m3/ph] Trong đĩ: η hiệu suất (η = 0,5 - 0,95) n số vịng quay [v/ph] q lưu lượng vịng lý thuyết [m3/vịng] q = (0,25..d2– A)b; [m3/vịng] d [m], A [m2], b [m] Máy nén khí kiểu cánh lồi được phát minh bởi Roots (1854) nên cịn được gọi là máy nén khí kiểu Roots. Máy gồm 2 cánh quạt hình số 8, các cánh quạt được quay đồng bộ nhờ bộ truyền động bên ngồi thân máy. 1.7. Máy nén khí ly tâmMáy nén khí ly tâm hoạt động theo nguyên lý động năng, máy làm việc êm và cĩ cơng suất rất lớn. Hình bên là sơ đồ hệ thống MNK ly tâm khơng dầu (Oil-Free) 2 cấp. Khơng khí vào chặng nén thứ nhất (2) được tăng tốc nhờ cánh bơm, khuếch tán sau đĩ qua bộ làm lạnh thứ nhất (3), (4) tiếp tục vào chặng nén thứ hai (6), rồi qua bộ làm lạnh thứ hai (7), sau đĩ ra khỏi hệ thống (8). 1.8. Máy nén khí vịng nước (Liquid Ring Compressors) Khi hoạt động rotor quay sẽ tạo một vịng chất lỏng bám quanh thành trong vỏ bơm, vùng thể tích giữa các cánh dẫn và vịng chất lỏng bị thay đổi khi bơm hoạt động tạo động lực cho việc hút và nén khơng khí. Ưu điểm của loại máy nén khí này là chất lượng khí nén tạo ra tốt bởi khơng bị lẫn dầu bơi trơn, vịng nước giúp làm mát nên máy hoạt động hiệu quả.Tuy nhiên khi hoạt động tương đối ồn và áp suất tạo ra khơng cao (thường dưới 8 bar) 2. Động cơ khí nén (Air motor) Chức năng Động cơ khí nén là cơ cấu chấp hành cĩ nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học dạng chuyển động quay. Ưu điểm- Điều chình đơn giản mơmen quay và số vịng quay, trọng lượng nhỏ- Đạt được với số vịng quay cao và điều chỉnh vơ cấp- Có thể đảo chiều quay mợt cách dễ dàng- Ít bị hư hỏng khi quá tải, giá thành bảo dưỡng thấp Khơng sợ bị nguy cơ cháy nởNhược điểmGiá thành năng lượng cao (khoảng gần 10 lần so với động cơ điện) Nguồn năng lượng là khí nén nên khĩ truyền dẫn đi xa. Số vịng quay bị thay đổi khi tải trọng thay đổi- Phát sinh tiếng ồn lớn do hiện tượng xả khí 2.1 Thơng số làm việc của động cơ khí nén Số vịng quay của trục động cơ (n) Cơng suất trên trục động cơ (N) Trong đĩ: ηv hiệu suất thể tích [%] η hiệu suất chung của động cơ [%] P1- P2 hiệu áp suất đầu vào/ra động cơ [Pa] Q lưu lượng dịng khí nén cấp cho động cơ [L/ph] q lưu lượng vịng của động cơ [L/vịng]Quay 1 chiều, khơng điều chỉnh được lưu lượngQuay 2 chiều, điều chỉnh được lưu lượng.Ký hiệu 2.2 Các loại động cơ khí nén Động cơ bánh răng (Gear motor)Động cơ bánh răng thường cĩ cơng suất đến 50 kW với áp suất làm việc 6 bar và mơmen quay đạt đến 500 Nm Động cơ trục vít (Gear motor)Kết cấu của động cơ trục vít tương tự như máy nén khí trục vít. Để tăng hiệu suất sử dụng, hai trục vít thường cĩ số đầu mối khác nhau 2.2 Các loại động cơ khí nén Động cơ cánh gạt (Rotate motor) Dưới tác dụng của áp suất khí nén lên cánh các gạt làm roto quay, đến cửa xả dịng khí nén được thải ra ngồi Động cơ piston (Piston motor) Áp suất khí nén sẽ tác động lên đỉnh piston, lực truyền qua thanh truyền, làm cho trục khuỷu quay và được truyền đến cơ cấu tác động. Người ta thường bố trí nhiều xylanh để trục khuỷu quay được ổn định và giảm va đập 3. Thiết bị xử lý khí nén3.1. Thành phần và yêu cầu cơ bản của khơng khí nén Thành phần:- Các nguyên tố chính cấu thành: N2 (78%), O2 (20,9%), CO2- Các chất bẩn, bụi, cặn bã phát sinh từ dầu bơi trơn, các bộ truyền cơ khí hoặc trên đường ống Một lượng hơi nước từ ẩm độ của khơng khí. Yêu cầu cơ bản đối với khí nén: Loại bỏ hoặc hạn chế đến mức thấp nhất những tạp chất bẩn, bụi, bẩn và nhất là hơi nước... 3.2. Các phương pháp xử lý khí nén a) Sấy khơ bằng mơi chất lạnhHeat ExchangerRefrigerantRefrigerantingmachineSeparatorRefrigerantingunitAir outAir in b) Sấy khơ bằng hấp thụ (Absorption) Bình hấp thụ (Adsorber)Sơ đồ hệ thống sấy khơ khí nén bằng chất hấp thụ c) Bộ lọc (Air service unit) Thành phần bộ lọc: 1. Phần tử lọc áp suất (Compressure air filter)2. Van điều áp (Compressure air regulator)3. Bộ tra dầu (Compressure air lubricator)Hình dáng ngồi bộ lọc 1Kí hiệu đầy đủKí hiệu rút gọnThành phần của bộ lọc 23Chức năng của bộ lọc: - Lọc cặn, tạp chất, tách ẩm - Giảm / ổn định áp suất- Bổ sung dầu bơi trơn (tùy chọn) 4. Mạng đường ống dẫn khí nén 4.1. Mạng đường ống lắp ráp cố địnha) Các thơng số kỹ thuật - Lưu lượng - Độ giảm áp suất - Đường kính ống - Chiều dài đường ống - Áp suất làm việc - Vật liệu đường ống 4.2. Mạng đường ống di độngCách tháo ống dẫn loại nối bằng đầu kẹp Đường ống làm bằng vật liệu dẻo chịu áp Cĩ thể tháo lắp nhanh 5. Bơm dầu (Hydraulic pumps) 5.1. Khái niệm & các thơng số đặc trưng của bơm dầu 5.1.1 Khái niệm Bơm dầu nĩi chung là một thiết bị sử dụng cơ năng dưới dạng chuyển động quay để biến thành động năng của dịng dầu. Tùy vào mục đích sử dụng ta sẽ cĩ bơm dầu (Oil pump) hoặc bơm thủy lực (Hydaulic pump)5.1.2 Các thơng số đặc trưng của bơm dầu Các thơng số đặc trưng cơ bản của bơm dầu gồm:Lưu lượng bơmÁp suất (cột áp) của bơmCơng suất của bơm Ký hiệu bơm dầu a) Lương lượng của bơm dầu Lưu lượng trung bình của bơm Q Là lượng chất lỏng thực tế mà bơm tải đi được trong một đơn vị thời gian, và được tính cách tổng quát: Q = n. qv. η [lít/phút]Trong đĩ: n số vịng quay của bơm [vịng/phút] qv lưu lượng 1 vịng quay của bơm [lít/vịng] η hiệu suất của bơm [%] b) Cơng suất của bơmNbPQCơng suất chung của bơm được tính: N = P .Q , [kW] Cơng suất để truyền động cho bơm dầu Cơng suất truyền động của động cơ cho bơm dầu: Trong đĩ: P áp suất của bơm, [bar] Q lưu lượng bơm, [lít/phút] η hiệu suất của bơm, [%] 5.2. Các loại bơm dầua) Bơm bánh răng (Gear pump) Driven gearIn portOut portPressureDriven gear Nguyên lý làm việc Tại mỗi vịng quay nĩ tạo ra một vùng cĩ áp suất thấp ở khu vực các cặp răng ra khớp Khi từng cặp răng vào khớp, dầu trong chân răng bị nén đồng thời bịt kín ngăn dịng chảy ngược từ vùng nén sang vùng hút , kết quả dầu bị nén liên tục vào ống đẩy Khi muốn tăng lưu lượng và giảm kích thước của bơm, người ta dùng nhiều bánh răng, thường dùng nhất là bơm cĩ 3 bánh răng Bơm bánh răng ăn khớp ngồi a) Bơm bánh răng (Gear pump) Phân loại Dựa vào tính chất ăn khớp của cặp bánh răng người ta chia ra:- Bơm bánh răng ăn khớp ngồi (External gear pump) Bơm kiểu LobeBơm bánh răng ăn khớp trong External gearInternal gearInletOutletCrescen Bơm 3 bánh răng ăn khớp ngồi- Bơm trái khế (bơm kiểu Lobe) - Bơm bánh răng ăn khớp trong (Internal gear pump) Bơm bánh răng (Gear pump) Đặc điểm và ứng dụng của bơm bánh răng- Do khơng cĩ van hút & van xả nên nĩ cĩ thể quay với tốc độ cao (đến 2.500 v/ph) - Bơm bánh răng cĩ cấu tạo đơn giản, rẻ tiền nhưng hiệu suất thấp, lưu lượng cố định- Bơm bánh răng ăn khớp trong cĩ lưu lượng và áp suất ổn định, làm việc êm hơn loại ăn khớp ngồi - Áp suất làm việc của bơm thơng thường khoảng 50 bar, và cĩ thể đạt đến 200 bar - Bơm bánh răng cĩ lưu lượng nhỏ, thường dùng để bơm dầu b) Bơm cánh gạt (Vane pump) Nguyên lý làm việc Bơm cánh gạt là loại bơm thể tích. Khi rotor quay, lực ly tâm làm các cánh gạt di trượt trong rãnh và chuyển động tựa theo mặt trong của thân bơm để tạo ra buồng làm việc của bơm với 2 vùng: vùng cĩ áp suất thấp (vùng hút) và vùng cĩ áp suất cao (vùng đẩy) Bơm cánh gạt đơnRotorCánh gạt Bơm cánh gạt (Vane pump) Phân loại Dựa vào cấu trúc của stato người ta cĩ thể phân thành 2 loại:- Bơm cánh gạt đơn - Bơm cánh gạt tác dụng kép Dựa vào khả năng điều chỉnh lưu lượng của bơm ta cĩ 2 loại:- Bơm cánh gạt khơng điều chỉnh được lưu lượng - Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng RotorStatorOutletInletNguyên lý hoạt động của bơm cánh gạt tác dụng kép Bơm cánh gạt (Vane pump) Đặc điểm và ứng dụng của bơm cánh gạtSo với bơm bánh răng, bơm cánh gạt cĩ lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơnCấu tạo đơn giản, giá rẻ, làm việc êm và bền.Dễ điều chỉnh lưu lượng hơn so với bơm bánh răng (bơm cánh gạt đơn)Nhược điểm của bơm cánh gạt tác dụng kép là khơng điều chỉnh được lưu lượng, cịn bơm cánh gạt đơn thì phạm vi điều chỉnh rất thấp,Hiệu suất thấp, chỉ phù hợp với nhu cầu lưu lượng bé và áp suất thấp. c) Bơm piston (Piston pump) Nguyên lý làm việcBơm piston hoạt động theo nguyên tắc thay đổi thể tích, chất lỏng được hút vào và bơm đi nhờ sự biến thiên thể tích buồng làm việc của bơm khi piston tịnh tiến trong xi lanh. Do nhiều ưu điểm so với các loại bơm khác, bơm piston hiện nay rất đa dạng về chủng loại cũng như cơng suất, nĩ dùng rất phổ biến trong các hệ thống thủy lực.P1V1P2V2Nguyên lý hoạt của động bơm piston Bơm piston (Piston pump) Phân loại: theo chu kỳ làm việc người ta phân làm 2 loại:Bơm piston tác động đơn: một chu kỳ (vịng quay) thực hiện được một quá trình hút và đẩy.fBơm piston đơntQQmaxQtbQtQmaxQtbBơm piston képBơm piston tác động kép: một chu kỳ làm việc thực hiện được 2 quá trình hút và đẩy Bơm piston (Piston pump) - Bơm piston hướng trục (Radial piston pump) Phân loại: theo cách bố trí piston ta cĩ:Bơm piston hướng trụcBơm piston dọc trục - trục thẳngBơm piston dọc trục - trục nghiêng - Bơm piston dọc trục (Axial piston pump) Bơm piston (Piston pump) Đặc điểm và ứng dụng của bơm pistonSo với bơm cánh gạt, bơm piston khơng phải mồi nước.Cĩ khả năng tạo được áp suất rất cao hoặc lưu lượng rất nhỏTuổi thọ cao hơn các bơm khác, nhất là khi phảo làm việc liên tục với áp suất cao. Do những ưu điểm đĩ nĩ thường được dùng làm các loại bơm chữa cháy, bơm lắc tay dùng để bơm nước ở các giếng sâu.Nhược điểm chính là kích thước lớn, cơng kềnh, giá thành chế tạo và bảo dưỡng caoLưu lượng khơng đồng đều so với các loại bơm ly tâm d) Bảng so sánh các loại bơm thủy lựcLoại bơm thủy lực Áp suất làm việc(PSI)Hiệu suất(%)Tốc độ làm việc(v/ph-rpm)Bơm bánh răng ăn khớp ngồi (External gear)2000 - 300080 - 901200 - 2500Bơm bánh răng ăn khớp trong(Internal gear)500 - 200060 - 851200 - 2500Bơm cánh gạt (Vane)1000 - 200080 - 951200 - 1800Bơm piston chiều trục(Axial piston)2000 - 1000090 - 981200 - 3600Bơm piston hướng trục(Radial piston)3000 - 1000085 - 951200 - 1800 5.3. Các chỉ tiêu để chọn bơmÁp suất làm việc của bơm (bar, PSI) là áp suất mà bơm cĩ thể làm việc ổn định với hiệu suất cao. Trong thực tế người ta thường dựa vào đường đặc tính của loại bơm (Pump characteristic) để lựa chọn bơm. Lưu lượng của bơm (lít/phút, m3/giờ) Hiệu suất của bơm (%)Phạm vi số vịng quay n của bơm (v/ph)Nhiệt độ cho phép khi hoạt động của bơmLoại chất lỏng mà bơm cĩ thể bơm được (nước, dầu, hĩa chất)Tiếng ồn phát sinh khi bơm hoạt độngGiá thành và tuổi thọ bơm 5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơmLưu lượng của bơm về lý thuyết khơng phụ thuộc vào áp suất (trừ bơm ly tâm) mà chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học và vận tốc quay của bơm, nhưng thực tế do cĩ sự rị rỉ qua khe hở giữa khoang hút và khoang đẩy nên lưu lượng thực tế nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết. Khi áp suất càng cao, tổn thất lưu lượng càng lớn.Khi đường kính ống hút quá nhỏ hoặc dầu cĩ độ nhớt quá cao.Khi đặt vị trí bộ lọc khơng hợp lý, hoặc khi bộ lọc quá bẩn.Khi lắp đặt đường ống hút khơng hợp lý (quá dài, nhiều co) 6. Động cơ dầu (Hydraulic motors) a) Khái niệm Động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng dưới dạng áp năng của dịng thủy lực, để biến thành cơ năng dưới dạng chuyển động quay (hoặc tịnh tiến).Ký hiệub) Phân loại Động cơ bánh răngĐộng cơ trục vítĐộng cơ cánh gạtĐộng cơ piston 7. Xi lanh (Cylinder) Xi lanh cĩ nhiệm vụ biến đổi năng lượng của nguồn khí nén thành cơng cơ học dưới dạng chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay a) Phân loạiXi lanh tác động đơn (Single acting cylinder) Chỉ sinh cơng theo một chiều, chiều cịn lại piston tự rút về do lực phản hồi của lị xo, do vậy loại xi lanh này thường cĩ hành trình khơng quá 200mmKí hiệu7.1 Xi lanh khí nén Phân loại xi lanh Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder)Đệm làm kínThân xi lanhĐường khí vào/raĐường khí vào/raCần pistonPhớt chắn bụiDdKí hiệu- Loại khơng cĩ giảm chấn- Loại cĩ giảm chấnKí hiệu Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder)- Xi lanh nối tiếp (Tandem double acting cylinder)- Xi lanh kép 2 cần piston (Cylinder with through piston rod)Kí hiệu- Xi lanh truyền động bằng từ tính (Cylinder with magnetic coupling) Xi lanh tác động kép (Double acting cylinderĐây là loại xi lanh tác động kép khơng cĩ cần piston (rodless cylinder). Piston di chuyển dọc trục trong xi lanh nhờ áp lực khí nén. Một thân trượt liên kết với piston qua lực từ tính, thân trượt này nối với cơ cấu truyền động bên ngồi.Các vịng từPistonThân trượtKí hiệu Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder- Xi lanh quay bằng thanh răng- Xi lanh màng Là loại xi lanh tác động đơn, piston làm kín dạng màng chắn. Loại này cĩ hành trình làm việc nhỏ (dưới 80mm), do vậy nĩ thường sử dụng nhiều trong cơng nghiệp ơ tơ (ĐK thắng, ly hợp) Chuyển động tịnh tiến piston biến thành chuyển động quay của trục cơng tác nhờ cơ cấu bánh răng-thanh răng. Gĩc quay cĩ thể là 900, 1800, 3600 c) Lực đẩy sinh ra của xi lanh (F)Fg αF2FmsF1mF = F1 = m g sinα- Trường hợp tổng quát- Khi xi lanh đẩy vật nằm ngang F = μ .Fg = μ .m .g - Khi xi lanh đẩy vật thẳng đứng F = m .g Trong đĩ: F Lực đẩy của xi lanh, [N]m khối lượng vật, [kg]g gia tốc trọng trường, [m/s2] μ hs ma sát vật và mặt phẳngLực đẩy F kể trên được sinh ra nhờ áp suất khí nén P cấp cho xi lanh tác dụng lên diện tích làm việc của piston A và được tính: Lực đẩy của xi lanh Với xi lanh tác động đơnF = η .P.A – FLX [N] Với xi lanh tác động képLực đẩy ở hành trình đi ra của piston F = η .P.A [N]Lực đẩy ở hành trình rút về của piston Fv = η .P.A’ [N] Trong đĩ: P áp suất khí nén cấp cho xi lanh, [N/m2] FLX lực phản hồi của lị xo, [N] D đường kính xi lanh, [mm] d đường kính cần piston, [mm] η hiệu suất làm việc của xi lanh, [%] d) Lượng khí tiêu thụ của xi lanh (Q) Với xi lanh tác động đơn Với xi lanh tác động képTrong đĩ: n số hành trình kép/đơn vị thời gian, [hành trình/ph] D đường kính xi lanh, [dm] d đường cần piston, [dm] L hành trình của xi lanh, [dm] i hệ số chuyển đổi áp suất và được tính: Q lượng khí tiêu thụ (FA) của xi lanh [m3/ph] 7.2 Xi lanh thủy lựca) Chức năng - phân loại Xi lanh thủy lực là cơ cấu biến đổi năng lượng, biến thế năng của dầu thành cơ năng dạng chuyển động thẳngXi lanh thủy lực được chia làm 2 loại: xi lanh lực và xi lanh quay.- Trong xi lanh lực chuyển động tương đối giữa piston và xi lanh là chuyển động tịnh tiến.- Trong xi lanh quay chuyển động tương đối giữa piston và xi lanh là chuyển động quay, gĩc quay thường < 3600Ngồi ra xi lanh thủy lực cịn được chia làm các loại: xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh vi sai b) Các thơng số làm việc của xi lanh thủy lực Lực đẩy của xi lanhTỷ số A2/A1 được gọi là hệ số khuếch đại lực Khoảng dịch chuyển x của xilanh Piston 1 dịch chuyển đoạn L, thì piston 2 dịch chuyển đoạn là x Vận tốc dịch chuyển v của piston Q lưu lượng dầu cấp cho xi lanh, m3/sA diện tích tác động của piston, m2 A1 diện tích tác động của piston 1A2 diện tích tác động của piston 2 x Bài tậpBài tập 2.1mdPDBài tập 2.2Xác định đường kính tối thiểu của xi lanh để nĩ cĩ thể kéo vật m=128,5kg lên. Cho P=5bar, d=20mm, hiệu suất làm việc của xi lanh là 0,9. Bỏ qua các tổn thất khác và ảnh hưởng của lực quán tính.Một xi lanh tác động kép cĩ D =50mm, d =20mm, L=160mm, hiệu suất làm việc là 0,9 được cấp nguồn khí nén P=5,5bar. Tính lực đẩy sinh ra ở 2 hành trình của xi lanh? Nếu xi lanh thực hiện 60 hành trình kép/phút. Tính lượng khí tiêu thụ của xi lanh trong 45 phút?Xin chân thành cảm ơn!