Giáo trình Truyền động thủy lực và khí nén (Phần 2)

iệc sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng điện sẽ không an toàn. Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: Búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh... nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén trong kỹ thuật điều khiển phát triển khá mạnh mẽ. Những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí nén mới được sáng chế và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp khí nén với điện - điện tử sẽ quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai. 5.1. Khả năng ứng dụng của khí nén 5.1.1. Trong lĩnh vực điều khiển Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa quá trình sản xuất phát triển mạnh mẽ. Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở Cộng hoà Liên bang Đức đã có 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén. Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó hay xảy ra những vụ nổ nguy hiểm như các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất. 5.1.2. Trong các hệ thống truyền động - Các dụng cụ, thiết bị, máy làm việc va đập: Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác như: Khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng như: Xây dựng hầm mỏ, đường hầm. - Truyền động quay: Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thành rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng 128 khí nén và một động cơ điện có cùng công suất, thì giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điện. Nhưng ngược lại thể tích và trọng lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất. Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5 kW, máy mài, công suất khoảng 2,5 kW cũng như những máy mài với công suất nhỏ nhưng với số vòng quay cao khoảng 100.000 (v/ph) thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng năng lượng khí nén là phù hợp. - Truyền động thẳng: Sử dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ôtô. - Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. 5.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 5.2.1. Ưu điểm - Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, cho nên có thể trích chứa dễ dàng. Như vậy, có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén. - Có khả năng truyền năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ. - Đường dẫn khí nén thải ra không cần thiết. - Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn. - Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được bảo đảm. 5.2.2. Nhược điểm - Lực truyền tải thấp. - Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi. Bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều. - Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây ra tiếng ồn. Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với điện hoặc điện tử. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu nhược điểm của từng hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, có thể so sánh một số khía cạnh, đặc tính của truyền động bằng khí nén đối với truyền động bằng cơ, bằng điện. 129 5.3. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén Ký hiệu: (+), (=), (-) có nghĩa là thích hợp hơn/ bằng/ ít hơn so với truyền động bằng khí nén. - Độ an toàn khi quá tải Khi hệ thống 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 (-); truyền động thủy lực (=), truyền động bằng cơ (-); - Sự truyền tải năng lượng Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền động bằng khí nén tương đối thấp. Truyền động điện (+); truyền động thủy lực (-), truyền động bằng cơ (-); - Tuổi thọ và bảo dưỡng Hệ thống truyền động và điều khiển bằng khí nén hoạt động tốt, khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây ảnh hưởng đối với môi trường. Tuy nhiên hệ thống đòi hỏi rất cao vấn đề lọc chất bẩn của áp suất không khí trong hệ thống. Truyền động điện - cơ (- / =); Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (=),Truyền động điện (+). - Khả năng thay thế những phần tử, thiết bị Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế những phần tử dễ dàng. Truyền động điện (+);Truyền động bằng cơ (-),Truyền động thủy lực (=). - Vận tốc truyền động Do trọng lượng của 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 đạt được với vận tốc rất cao. Truyền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+). - Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất Truyền động bằng khí nén có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách đơn giản. Tuy nhiên với sự tải trọng thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi. Truyền động điện - cơ (-),Truyền động cơ (-),Truyền động thủy lực (+) - Vận tốc truyền tải Vận tốc truyền tải và xử lý số liệu tương đối chậm: Truyền động điện (+), Truyền động cơ (-), Truyền động thủy lực (+); Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống truyền động được liệt kê trong bảng 5.1: 130 Bảng 5.1. Phạm vi ứng dụng thích hợp của các hệ thống truyền động TT Trường hợp ứng dụng K Đ-K Đ-C Đ C TL 1 Truyền động quay với công suất >2kW + 0 0 0 x 1.1 Truyền động quay với công suất <2kW x 0 0 0 x 1.2 Số vòng quay >10.000 v/ph 0 x 0 0 0 2 Truyền động thẳng, quãng đường <200 m, tảitrọng <20 KN + 0 x 0 0 2.1 Truyền động thẳng, quãng đường <500 m, tảitrọng <20 KN + 0 x 0 0 x 2.2 Truyền động thẳng, quãng đường >500 m, tảitrọng <6 KN 0 x 0 0 x 3 Điều khiển nhiều hơn 10 tiến trình + x 0 + 0 3.1 Điều khiển ít hơn 10 tiến trình x x 0 + + 3.2 Điều khiển ít hơn 6 tiến trình x 0 x + 0 Ghi chú: K - Truyền động bằng khí nén; Đ-K - Truyền động bằng điện khí nén; Đ-C - Truyền động bằng điện cơ; C - Truyền động bằng cơ; TL - Truyền động bằng thủy lực;  - Có khả năng ứng dụng thích hợp; X - Có thể ứng dụng; + - Có thể ứng dụng trong những trường hợp đặc biệt; 0 - Không thể ứng dụng được. 5.4. Cơ sở lý thuyết tính toán truyền động khí nén 5.4.1. Thành phần hóa học và các đại lượng vật lý cơ bản của không khí Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị khí nén là không khí trong khí quyển được hút vào và nén trong máy nén khí. Sau đó khí nén từ máy nén khí đưa vào hệ thống khí nén. Không khí là loại khí hỗn hợp, bao gồm các thành phần hóa học chính được ghi trong bảng 5.2 và các đại lượng vật lý cơ bản được ghi ở bảng 5.3. Ngoài những thành phần trên, trong không khí còn có hơi nước, bụi...Những thành phần đó gây ra cho các thiết bị khí nén sự ăn mòn, sự han gỉ... Bảng 5.2. Thành phần hóa học của không khí N2 O2 Ar CO2 H2 Ne.10-3 He.10-3 He.10-3 X.10-6 Thể tích % 78,08 20,95 0,93 0,03 0,01 1,8 0,5 0,1 9 Khối lượng % 75,51 23,01 1,286 0,04 0,001 1,2 0,07 0,3 40 131 Bảng 5.3. Các đại lượng vật lý cơ bản của không khí TT Đại lượng vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ghi chú 1 Khối lượng riêng ρn 1,293 kg/m3 Ở trạng thái tiêu chuẩn 2 Hằng số khí R 287 J/kg.K 3 Tốc độ âm thanh ωs 331,2 344 m/s Ở nhiệt độ 0oC Ở nhiệt độ 20oC 4 Nhiệt lượng riêng cpcv 1,004 0,717 kJ/kg.K kJ/kg.K Áp suất hằng số Thể tích hằng số 5 Số mũ đoạn nhiệt k 1,4 6 Độ nhớt động lực η 17,17×10-6 Pa.s Ở trạng thái tiêu chuẩn 7 Độ nhớt động ν 13,28×10-6 m2/s Ở trạng thái tiêu chuẩn 5.4.2. Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết khí nén trong hệ thống gần như là khí lý tưởng. Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén được viết như sau: TRmVpabs ...  (5.1) Trong đó: pabs - Áp suất tuyệt đối, (bar). V - Thể tích của khí nén, (m3). m - Khối lượng, kg. R - Hằng số khí, (J/kg.K). T - Nhiệt độ Kelvin, (K). a) Định luật Boyle - Mariotte Khi nhiệt độ không thay đổi (T = hằng số), theo phương trình 5.1 ta có: constVpabs . (5.2) Nếu gọi: V1 - Thể tích khí nén tại áp suất p1, (m3); V2 - Thể tích khí nén tại áp suất p2, (m3); p1abs - Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1, (bar); p2abs - Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2, (bar); Theo phương trình (5.2) ta có thể viết: abs abs p p V V 1 2 2 1  (5.3) Hình 5.1 biểu diễn sự phụ thuộc áp suất và thể tích khi nhiệt độ không thay đổi là đường cong parabol. Năng lượng nén và năng lượng dãn nở tính theo phương trình: 1 1 1 2 . .ln pW p V p  (5.4) 132 Hình 5.1. Sự phụ thuộc giữa áp suất và thể tích khi nhiệt độ không thay đổi b) Định luật 1 (Gay - Lussac) Khi áp suất không thay đổi (p = const), theo phương trình (5.1) ta có: 2 1 2 1 T T V V  (5.5) Trong đó: T1 - Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1; T2 - Nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2; Năng lượng nén và năng lượng dãn nở không khí được tính theo phương trình: )( 12 VVpW  (5.6) c) Định luật 2 (Gay - Lussac) Khi thể tích V không thay đổi, phương trình (5.1) được viết như sau: 2 1 2 1 T T p p abs abs  (5.7) Do thể tích v = hằng số nên năng lượng nén và năng lượng giãn nở bằng 0, W = 0 d) Phương trình trạng thái nhiệt khi cả ba đại lượng áp suất, nhiệt độ và thể tích thay đổi Từ (5.1) suy ra: constRm T Vpabs  .. (5.8) Hay 2 2.2 1 11 .. T Vp T Vp absabs  (5.9) Khối lượng không khí m được tính theo công thức: .Vm  (kg) 133 Hay  mV  (5.10) Thay phương trình (5.10) vào phương trình (5.3), ta có: - Khi nhiệt độ T không thay đổi, ta có: abs abs p p m m 1 2 2 2 1 1    (5.11) Như vậy sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  và áp suất p khi nhiệt độ T không thay đổi được viết như sau: abs abs p p 1 2 12 .  (5.12) Sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  và nhiệt độ T khi áp suất p không thay đổi, từ phương trình 5.5 ta có: 2 1 12 .T T   (5.13) Sự phụ thuộc giữa khối lượng riêng  vào cả 3 đại lượng thay đổi áp suất p, nhiệt độ T và thể tích V theo phương trình (5.9) ta viết được như sau abs abs pT pT 12 121 2 . ..    (5.14) e). Phương trình đoạn nhiệt Thể tích riêng của không khí: m V v  (m3/kg) (5.15) Thay phương trình (5.15) vào phương trình (5.8), ta có phương trình trạng thái của khí nén: R T vp . hay TRvp ..  (5.16) Trong đó R là hằng số khí, tra theo bảng 5.3. Nhiệt lượng riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng không khí 1 kg lên 10K. Nhiệt lượng riêng khi thể tích không thay đổi ký hiệu là cv, khi áp suất không thay đổi ký hiệu cp. Tỷ số của cv và cp gọi là số mũ đoạn nhiệt k. v p c c k  (5.17) 134 Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R: )1(1.  kc k k cccR vpvp (5.18) Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở không có nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau:  kk vpvp 2211 .. hằng số (5.19a) Hay 1 2 1 1 2 2 1         k kk T T v v p p (5.19b) Hình 5.2 biểu diễn biểu đồ đoạn nhiệt: Hình 5.2. Biểu đồ đoạn nhiệt Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi các điểm 1, 2, 5, 6 trong hình 5.2 tương ứng lượng nhiệt giãn nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:         1 2 111 1 1 . k v v k vpW (5.20a) hay              k k p p k vpW 1 1 211 1 1 . (5.20b) hay         1 211 1 1 . T T k vpW (5.20c) Công kỹ thuật Wt là công cần thiết để nén lượng không khí (ví dụ trong máy nén khí) hoặc là công thực hiện khi áp suất khí giãn nở. Diện tích mặt phẳng giới hạn bởi các điểm 1, 2, 3, 4 ở trong hình 5.2 là công thực hiện để nén hay công thực hiện khí áp suất khí giãn nở cho 1 kg không khí, có giá trị: 135         1 2 1 11 1..1 k t v v vp k kW (5.21a)              k k t p p vp k kW 1 1 2 11 1..1 (5.21b) Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đẳng nhiệt cũng như quá trình đoạn nhiệt. Quá trình xảy ra thường nằm trong khoảng giữa quá trình đẳng nhiệt và quá trình đoạn nhiệt gọi là quá trình đa biến và có phương trình: nn vpvp 2211 ..  = const (5.22) Hay 1 1 2 1 2 2 1         n n n T T v v p p (5.23) - Quá trình đẳng nhiệt: n = 1 - Quá trình đẳng áp: n = 0. - Quá trình đoạn nhiệt: n = k. - Quá trình đẳng tích: n = ∞. f) Ví dụ ứng dụng Lưu lượng hút của một máy nén khí là Vn = 2,5 (m3/phút) trong điều kiện tiêu chuẩn (Tn = 2730K, Pn = 1,013 bar). Phải cần thời gian bao lâu để làm đầy bình chứa với thể tích V = 1m3, có áp suất 6 bar và nhiệt độ không khí trong bình là T = 2980K? Bài giải: Do nhiệt độ T, áp suất p và thể tích V ở trạng thái ban đầu và trạng thái cuối của quá trình nén là khác nhau. Cho nên dựa vào phương trình (5.9) để xác định thể tích của bình chứa khí ở trạng thái ban đầu: T Vp T Vp abs n nnabs .. '  (5.24) Trong đó: pnabs - Áp suất của khí quyển tiêu chuẩn, pn = 1,013 bar; pabs - Áp suất của không khí trong bình chứa khi nạp đầy: pabs = (1,013 +p) = (1,013 +6) = 7,013 (bar); Tn - Nhiệt độ của khí quyển tiêu chuẩn, Tn = 2730 K; Vn' - Thể tích khí cần thiết phải hút (m3); V - Thể tích bình chứa, (m3); T - Nhiệt độ trong bình chứa, T = 2980K. Từ phương trình 5.24 ta có: Tp TVpV n n n . .).013,1( '  (5.25) 136 Thay số vào phương trình (5.25) ta có: 34,6 298.013,1 273.1.013,7 ' nV (m3) Thời gian cần thiết để làm đầy bình chứa: 54,2 5,2 34,6'  n n V V t (phút) 5.4.3. Phương trình dòng chảy a) Phương trình dòng chảy liên tục Hình 5.3. Dòng chảy liên tục Lưu lượng khí nén chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là không đổi (hình 5.3), ta có phương trình dòng chảy như sau: 21 vv QQ  Hay: w1.A1 = w2.A2 = const (5.26) Trong đó: Qv1, Qv2 - Lưu lượng dòng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2, (m3/s). w1 - Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1, (m/s). w2 - Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2, (m/s). A1 - Tiết diện chảy tại vị trí 1, (m2). A2 - Tiết diện chảy tại vị trí 2, (m2). b) Phương trình Becnully: Phương trình Becnully được viết như sau:  2 2 2 21 1 2 1 .. 2 ... 2 . p mhgmwmpmhgmwm  (5.27) Trong đó: 2 . 2w m - Động năng hgm .. - Thế năng; pVpm ..   - Áp năng Trong đó: g: Gia tốc trọng trường. ρ: Khối lượng riêng không khí. p: Áp suất tĩnh. Phương trình (5.27) có thể viết lại như sau: 137 2 .. 2  wphg  = const (5.28) Nếu chiều cao h = 0 thì phương trình (5.28) viết được như sau: constwp  2 . 2  (5.29) Trong đó: p - Áp suất tĩnh học; 2 . 2 w - Áp suất động học; Như vậy, áp suất toàn phần là tổng áp suất thành phần: đttp ppp  (5.30) Trong đó: ptp - Áp suất toàn phần; pt - Áp suất tĩnh học; pđ - Áp suất động học d1 d2 h1 h2 Hình 5.4. Phương trình Bernulli 5.4.4. Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp Để tính toán truyền động khí nén, ta giả thiết sau: - Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra chậm, như vậy thời gian trao đổi nhiệt được thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đẳng nhiệt; - Quá trình thực hiện trong hệ thống xảy ra nhanh, như vậy thời gian trao đổi nhiệt không được thực hiện, quá trình xảy ra là quá trình đoạn nhiệt; Lưu lượng khối lượng khí qm qua khe hở được tính như sau: 138 pAqm  .2... 11  (kg/s) (5.31) Hay 1 1 2...   pAqm  (m3/s) (5.32) Trong đó: α - Hệ số lưu lượng. ε - Hệ số giãn nở. A1 - Diện tích mặt cắt của khe hở, (m2). Δp = p1 - p2 - Độ chênh áp suất trước và sau khe hở. ρ1 - Khối lượng riêng của không khí. Hệ số lưu lượng α phụ thuộc vào dạng hình học của khe hở (hệ số co rút  ) và (hệ số vận tốc  ).  . (5.33) Hình 5.5 biểu diễn mối quan hệ của hệ số lưu lượng α và tỷ số 2 2 D d m  của vòi phun theo tiêu chuẩn DIN 1953. Trong hình 5.6 biểu diễn mối quan hệ của hệ số giãn nở ε, tỷ số áp suất sau và trước khe hở 1 2 p p và tỷ số 2 2 D d m  của vòi phun. Theo hình 5.7 hệ số giãn nở  của bướm điều tiết ở trạng thái đoạn nhiệt k = 1,4. Hình 5.5. Hệ số lưu lượng Hình 5.6. Hệ số giãn nở của vòi phun 139 Hình 5.7. Sự phụ thuộc hệ số lưu lượng  và hệ số ảnh hưởng số Reynold Re của bướm điều tiết Ví dụ ứng dụng: Khi có áp suất p1 = 2 (bar) và nhiệt độ t1 = 20 oC chảy qua bướm điều tiết có đường kính 1d (mm), áp suất sau bướm điều tiết p2 = 1,5 (bar), đường kính của ống dẫn khí D =4 (mm). Tính lưu lượng theo khối lượng qm (kg/s) và lưu lượng theo thể tích khí ở trạng thái tiêu chuẩn qv (m3/h)? Bài giải: Theo phương trình (5.31) ta có: pAqm  .2... 11  (kg/s) Do tổn thất áp suất nhỏ 5,021  ppp (bar), số 410eR , cho nên dòng chảy tầng. Tỷ số: 06,0 16 1 2 2  D d m Từ hình 5.7a ta tra được: 6,0 - Hệ số giãn nở  tra ở hình 5.7b theo các thông số sau: 140 06,0 16 1 2 2  D d m , ta chọn m = 0; 75,0 0,2 5,1 2 1  p p , ta được: 925,0 . - Diện tích của khe hở: 3 2 7 1 0,25 (1 10 ) . 7,85 10A       (m2); - Hiệu áp trước và sau khe hở: 51 2 0,5 0,5 10p p p      (Pa); - Khối lượng riêng của khí ở trạng thái tiêu chuẩn (pn = 1,013 bar; T = 273 0K): 2939,1n (kg/m3) Theo phương trình (5.14) ta có: 1 1 .( 1,013). 273 3,013 1,293 3,58 293 1,013 293 1,013 nT p        (kg/m 3) Như vậy lưu lượng theo khối lượng sẽ là: 7 5 40,6 0,925 7,85 10 2 3,58 0,5 10 2,7 10mq            (kg/s) - Lưu lượng tính theo thể tích ở trạng thái tiêu chuẩn được tính như sau: 4 4 3 ( / ) 2,7 10 2,1 10( / ) 1,293 m v n q kg sq kg m      (m3/s) 5.4.5. Tổn thất áp suất trong truyền động khí nén Tính toán chính xác tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động khí nén là vấn đề rất phức tạp. Tổn thất áp suất của hệ thống bao gồm: - Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng RP . - Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi EP . - Tổn thất áp suất trong các loại van. VP a) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (ΔPR): 2 . .w . 2R lp d    (N/m2) (5.34) Trong đó: l - Chiều dài ống dẫn, (m). ρ - Khối lượng riêng của không khí, được xác định theo công thức sau: . abs n n p p   (5.35) ρn - Khối lượng riêng của không khí ở trạng thái tiêu chuẩn, ρn= 1,293 (kg/m3); 141 pn - Áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn, pn = 1,013 (bar). w - Vận tốc của dòng chảy, (m/s). d - Đường kính ống dẫn, (m).  - Hệ số ma sát ống, có giá trị cho ống trơn và dòng chảy tầng (Re < 2230). 64 eR   (5.36) Re - Hệ số Reynold, n w.d eR   n - Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn, n = 13,28×10 -6 (m2/s) b) Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi Trong hệ thống ống dẫn, ngoài ống dẫn thẳng còn có ống dẫn có tiết diện thay đổi, dòng khí phân nhánh hoặc hợp thành, hướng dòng thay đổi...Tổn thất áp suất trong những tiết diện đó được tính như sau: 2 . 2 . wPE   , (N/m2) (5.37) Trong đó: ζ: Hệ số cản, phụ thuộc vào loại tiết diện ống dẫn và số Re. - Khi tiết diện thay đổi đột ngột: Tổn thất áp suất: 2 2 1 1 2 .w1 . 2E Ap A       , (N/m2) (5.38) Hình 5.8. Tiết diện thay đổi Hoặc: 2 2 2 2 1 .w1 . 2E Ap A       Trong đó: w1 và w2 là vận tốc chảy trung bình ở tiết diện A1 và A2. - Khi ống dẫn gãy khúc: Tổn thất áp suất: 2 2 0,5. . .wEP    , (N/m2) (5.39) Trong đó: Hệ số  tra theo bảng 5.4 Hình 5.9. Tiết diện gẫy khúc 142 Bảng 5.4. Hệ số ζ phụ thuộc vào độ nhẵn và độ nhám của thành ống  150 22,50 300 450 600 900 nnhă 0,042 0,07 0,13 0,24 0,47 1,13 nhám 0,062 0,15 0,17 0,32 0,66 1,27 a/D 0,71 0,943 0,150 3,72 6,28  nnhă 0,51 0,35 0,28 0,36 0,40 0,48 nhám 0,51 0,415 0,38 0,46 0,44 0,64 - Trong hệ thống có các đường ống bị uốn cong: Tổn thất áp suất: 2 3 es. .w2E g p   (N/m2) (5.40) Trong đó: Hệ số ζges bao gồm: Re  uges ζu: Hệ số cản do độ cong. ζRe: Hệ số cản do ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống). Hệ số cản ζu phụ thuộc vào góc uốn cong  , tỉ số R/d và chất lượng bên trong ống, tra theo hình 5.10. d 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 l Hình 5.10. Hệ số cản u 143 Hệ số cản ζRe do ảnh hưởng của số Reynold (ma sát ống) phụ thuộc vào số Reynold, tra theo hình 5.11. Hình 5.11. Hệ số cản do ảnh hưởng số Reynold - Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi phân dòng (hình 5.12): Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh: 2 z. .w2Ea a p   (N/m2) (5.41) Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng: 2 z. .w2Ed d p   (N/m2) (5.42) Trong đó: wz: vận tốc trung bình trong ống dẫn chính. Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi phân dòng thuộc vào tỷ lệ dia/diz và tỷ lệ lưu lượng qma/qmz cho trong bảng 5.5. Hình 5.12. Ống phân nhánh 144 Bảng 5.5. Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi phân dòng Góc rẽ nhánh δ 900 1200 1350 Ống rẽ nhánh, hệ số cản ζa Tỷ số dia/din Tỷ lệ lưu lượng qma/qmz 1.0 0.8 0.6 1.0 0.8 0.6 1.0 0.8 0.6 0.2 0,79 0,84 1,00 0,71 0,75 0,88 0,68 0,72 0,83 0.4 0,74 0,88 1,31 0,57 0,69 1,07 0,51 0,61 0,98 0.6 0,81 1,05 1,89 0,53 0,75 1,53 0,43 0,64 1,40 0.8 1,00 1,37 2,72 0,97 0,96 2,26 0,44 0,78 2,09 1.0 1,30 1,82 3,81 1,75 1,27 3,26 0,54 1,06 3,05 Ống rẽ thẳng, hệ số cản ζd Tỷ số dia/din Tỷ lệ lưu lượng qma/qmz 1.0 0.8 0.6 1.0 0.8 0.6 1.0 0.8 0.6 0.2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0.4 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0.6 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0.8 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 1.0 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 - Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng (hình 5.13) Hình 5.13. Ống hợp dòng Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng qma 2 z. .w2Ea a p   (N/m2) (5.43) 145 Tổn thất áp suất trong ống dẫn khi hợp dòng qmd 2 z. .w2Ed d p   (N/m2) (5.44) Trong đó: wz - Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính. Hệ số cản ζa và ζd của ống dẫn khi hợp dòng thuộc vào tỷ lệ dia/diz và tỷ lệ lưu lượng qma/qmz (bảng 5.6) Bảng 5.6. Hệ số cản a và d của ống dẫn khi hợp dòng Góc rẽ nhánh δ 450 600 900 Ống rẽ nhánh, hệ số cản a Tỷ số dia/din Tỷ lệ lưu lượng qma/qmz 1,0 0,8 0,6 1,0 0,8 0,6 1,0 0,8 0,6 0.2 -0,41 -0,31 -0,11 -0,40 -0,30 -0,09 -0,38 -0,28 -0,66 0.4 -0,03 0,22 0,94 0,00 0,27 0,99 0,10 0,37 1,11 0.6 0,22 0,69 2,22 0,31 0,79 2,33 0,52 1,03 2,61 0.8 0,35 1,09 3,73 0,51 1,27 3,93 0,89 1,69 4,43 1.0 0,35 1,43 5,47 0,60 1,70 5,80 1,20 2,35 6,57 Ống dẫn thẳng, hệ số cản ζdTỷ lệ lưu lượng qma/qmz Tỷ số dia/din 1,0 0,8 0,6 1,0 0,8 0,6 1,0 0,8 0,6 0.2 0,16 0,20 0,19 0,17 0,22 0,23 0,20 0,27 0,32 0.4 0,17 0,17 0,03 0,22 0,26 0,18 0,35 0,46 0,54 0.6 0,06 -0,04 -0,44 0,18 0,15 -0,10 0,47 0,60 0,71 0.8 -0,18 -0,44 -1,22 0,04 -0,11 -0,62 0,56 0,70 0,82 1.0 -0,53 -1,03 -2,32 -0,19 -0,51 -1,39 0,62 0,76 0,86 - Tổn thất áp suất trong ống phân nhánh (hình 5.14): 2 . 2 wpES   (N/m2) (5.45) Trong đó: w - Vận tốc trung bình trong ống dẫn chính. Hệ số cản của các loại ống phân nhánh  được minh họa ở hình 5.14. 146 d d Hình 5.14. Hệ số cản  (Re >103) c) Tổn thất áp suất trong các loại van (Δpv): Tổn thất áp suất trong các loại van Δpv (trong các van đảo chiều, van áp suất, van tiết lưu.v.v...) được tính theo: 2 . .w 2v v p   , (N/m2) (5.46) Trong công nghiệp sản xuấn điện tử khí nén, hệ số cản ζv là đại lượng đặc trưng cho các van. Thay vì hệ số cản ζv, một số nhà sản xuất khác sử dụng một đại lượng gọi là hệ số lưu lượng kv là đại lượng được xác định bằng thực nghiệm. Hệ số lưu lượng kv là lưu lượng chảy (m3/h) qua van ở nhiệt độ T = 278 - 303 (0K), với áp suất ban đầu là: p1 = 6 (bar), tổn thất áp suất Δp0 = 0,981 (bar) và có giá trị, tính theo công thức: . 31,6 v v qk p   (m 3/h) (5.47) Trong đó: qv - Lưu lượng khí nén, (m3/h). ρ - Khối lượng riêng không khí, (kg/m3). Δp - Tổn thất áp suất qua van, (bar). Hệ số cản ζv tính theo công thức: 2 2 2. .10,18 w v v v k qg        (5.48) 147 Vận tốc dòng chảy: vqw A  Thay w vào phương trình (5.48) tính ζv, ta có: 2 2 6 2 2 v v 2. .10,18. . 10 kq . 3600 v v Ag q          (5.49) Trong đó: 2 . 4 dA  - Tiết diện dòng chảy, (mm2) Thay tiết diện dòng chảy A vào phương trình (5.49), ta có hệ số cản của van: 21 626,3 v v k d        (5.50) Như vậy, nếu van có thông số đặc trưng kv, đường kính ống nối d, thì ta xác định được hệ số cản qua van ζv. d) Tổn thất áp suất tính theo chiều dài ống dẫn tương đương Vì tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng hay là tổn thất áp suất của ống dẫn có tiết diện thay đổi hoặc là tổn thất áp suất trong các loại van đều phụ thuộc vào hệ số 2.w 2  , cho nên có thể tính tổn thất áp suất thành chiều dài ống dẫn tương đương. ' 2 2 . .w . . .w 2 2 l d     (5.51) Từ đó, chiều dài ống dẫn tương đương: ' .l d   (5.52) Như vậy tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn là: ' 2 es . . .w2g l l p d       (5.53) 148 Chương 6. SẢN XUẤT, PHÂN PHỐI VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN 6.1. Sản xuất khí nén Áp suất được tạo ra từ máy nén khí, 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. 6.1.1. Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí a) 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 loại máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này như kiểu píttông, 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. b) 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: Máy nén khí kiểu píttông, máy nén khí kiểu bánh răng, 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. 6.1.2. Máy nén khí kiểu píttông Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttông một cấp được biểu diễn ở hình 6.1. 149 Hình 6.1. Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu píttông 1 cấp a) Chu kỳ hút; b) Chu kỳ nén và đẩy Máy nén khí kiểu píttông một cấp có thể hút được lưu lượng đến 10 (m3/phút) và áp suất nén từ 6 đến 10 (bar). Máy nén khí kiểu píttông hai cấp có thể nén đến áp suất 15 (bar). Loại máy nén khí kiểu píttông một cấp và hai cấp thích hợp cho hệ thống điều khiển bằng khí nén trong công nghiệp. Máy nén khí kiểu píttông được phân loại theo cấp số nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén. Ngoài ra người ta còn phân loại theo vị trí của píttông. * Ưu điểm: Vững chắc, hiệu suất cao, kết cấu, vận hành đơn giản. * Khuyết điểm: Tạo ra khí nén theo xung, thường có dầu, ồn. 6.1.3. Máy nén khí kiểu cánh gạt Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt một cấp (hình 6.2) bao gồm: Thân máy (1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục. Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động. Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén được thực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát. Bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào. Hình 6.2. Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt 1. Thân; 2. Rô to; 3. Cánh gạt 150 * Ưu điểm: Kết cấu gọn, máy chạy êm, khí nén không bị xung; * Khuyết điểm: Hiệu suất thấp, khí nén bị nhiễm dầu. Nguyên lý hoạt động Không khí được hút vào buồng hút (trên biểu đồ hình 6.3, p - V tương ứng đoạn d - a). Nhờ rôto và stato đặt lệch nhau một khoảng lệch tâm e, nên khi rôto quay theo chiều sang phải, thì không khí sẽ vào buồng nén (trên biểu đồ p - V tương ứng đoạn a - b). Sau đó khí nén sẽ vào buồng đẩy (trên biểu đồ p - V tương ứng đoạn b - c). Hình 6.3. Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt Lưu lượng khí nén được tính theo công thức sau: 600 n qQv  (6.1) Trong đó: q0 - Lưu lượng riêng, (m3 /vòng). n - Số vòng quay rôto, (v/ph). λ - Hiệu suất. Độ lệch tâm tương đối: R eR R e  (6.2) 6.1.4. Máy nén khí kiểu trục vít Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay. Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy. Máy nén khí kiểu trục vít gồm có hai trục: trục chính và trục phụ. Số răng (số đầu mối ren) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén). Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm. Số răng (số đầu mối ren) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn. 151 Hình 6.4. Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu trục vít Lưu lượng tính theo (6.1), ta có: 600 n qQv  (6.3) Trong đó: q0: Lưu lượng riêng, (m3 /vòng). λ: Hiệu suất. n: Số vòng quay trục chính (vòng/phút) Hiệu suất λ phụ thuộc vào số vòng quay n, tra theo bảng 6.1. Bảng 6.1. Hiệu suất λ phụ thuộc vào số vòng quay n... tiết diện thay đổi Nguyên lý hoạt động và ký hiệu của van tiết lưu có tiết diện thay đổi như trên hình 7.22, tiết lưu được cả hai chiều, dòng khí nén đi từ A qua B và ngược lại. Tiết diện Ax được điều chỉnh bằng vít. a) b) Hình 7.22. Van tiết lưu có tiết diện thay đổi a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 7.2.3.3. Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay Nguyên lý hoạt động và ký hiệu của van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay (hình 7.23). Tiết diện dòng chảy Ax thay đổi nhờ vít điều chỉnh bằng tay. Khi dòng khí nén từ A qua B, lò xo đẩy màng chắn xuống và cho dòng khí nén chỉ đi qua tiết diện Ax.. Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo, đẩy màng chắn lên và như vậy dòng khí nén sẽ đi qua khe hở giữa màng chắn và mặt tựa màng chắn, lưu lượng không được điều chỉnh. 179 a) b) Hình 7.23. Van tiết lưu một chiều a. Cấu tạo; b. Ký hiệu 7.2.4. Van áp suất 7.2.4.1. Van an toàn Van an toàn có nhiệm vụ giữ áp suất lớn nhất mà hệ thống có thể tải. Khi áp suất lớn hơn áp suất cho phép của hệ thống thì dòng áp suất khí nén sẽ thắng lực lò xo và khí nén sẽ theo cửa R thoát ra ngoài môi trường. a) b) Hình 7.24. Van an toàn a) Cấu tạo; b) Ký hiệu 7.2.4.2. Van tràn Nguyên tắc hoạt động của van tràn tương tự như van an toàn nhưng chỉ khác ở chỗ là khi áp suất ở cửa P đạt được giá trị xác định thì cửa P sẽ nối với cửa A nối với hệ thống điều khiển. Hình 7.25. Ký hiệu van tràn 180 7.2.4.3. Van điều chỉnh áp suất (van giảm áp) Van điều chỉnh áp suất có công dụng giữ cho áp suất không đổi ngay cả khi có sự thay đổi bất thường của tải trọng làm việc ở phía đường ra hoặc sự dao động của áp suất đường vào van. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suất như sau (hình 7.26): Khi điều chỉnh trục vít, tức là điều chỉnh vị trí của đĩa van, trong trường hợp áp suất của đường ra tăng lên so với áp suất được điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác dụng lên màng, vị trí kim van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài. Đến khi áp suất ở đường ra giảm xuống bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về vị trí ban đầu. a) b) Hình 7.26. Cấu tạo van điều chỉnh áp suất và ký hiệu a. Cấu tạo; b. Ký hiệu 7.2.4.4. Rơ le áp suất Rơ le áp suất có nhiệm vụ đóng, mở công tắc điện, khi áp suất trong hệ thống vượt quá mức yêu cầu. Trong hệ thống điều khiển điện khí nén, rơ le áp suất có thể coi như là phần tử chuyển đổi tín hiệu khí nén - điện. Công tắc điện đóng, mở tương ứng với những giá trị áp suất khác nhau có thể điều chỉnh bằng vít (hình 7.27). Hình 7.27. Rơ le áp suất 181 7.2.5. Van điều chỉnh thời gian 7.2.5.1. Rơle thời gian đóng chậm Khí nén đi vào qua van tiết lưu một chiều, cần thời gian t1 để làm đầy bình chứa, sau đó tác động lên nòng van đảo chiều, van đảo chiều chuyển đổi vị trí, cửa P nối với cửa A. Hình 7.28. Sơ đồ ký hiệu Rơle thời gian đóng chậm 7.2.5.2. Rơle thời gian ngắt chậm Rơle thời gian ngắt chậm, nguyên lý, cấu tạo cũng tương tự như rơle thời gian đóng chậm, nhưng van tiết lưu một chiều có chiều ngược lại. Hình 7.29. Sơ đồ ký hiệu Rơle thời gian ngắt chậm 7.2.6. Van chân không Van chân không là cơ cấu có nhiệm vụ hút và giữ chi tiết bằng lực chân không, chân không được tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lý ống venturi. Ký hiệu: Ta có lực hút chân không: pDF  . 4 2 với ua ppp  (7.1) Trong đó: F - Lực hút chân không, N; D - Đường kính đĩa hút, m; pa - Áp suất không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, N/m2; pu - Áp suất không khí tại cửa U, N/m2. 182 7.2.7. Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xi lanh) hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). Ở trạng thái làm việc ổn định, thì khả năng truyền năng lượng có phương pháp tính toán giống thủy lực. Ví dụ: Công suất: N = p.Q (khí nén) Vận tốc: tF N v  (cơ cấu chấp hành) Cụ thể:         A Q v A FFpFFpA lxtlx 7.2.7.1. Xilanh khí nén - Xilanh tác dụng đơn (tác dụng một chiều); - Xilanh tác dụng hai chiều (tác dụng kép); - Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh được; - Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh được; - Xilanh quay bằng thanh răng Hình 7.30. Các loại xilanh khí nén 183 7.2.7.2. Động cơ khí nén Động cơ khí nén là cơ cấu chấp hành, có nhiệm vụ biến đổi thế năng hay động năng của khí nén thành cơ năng (chuyển động quay). Động cơ khí nén có những ưu điểm sau: - Điều chỉnh đơn giản số vòng quay và mô men quay. - Đạt được số vòng quay cao và điều chỉnh vô cấp. - Không xảy ra hư hỏng khi làm việc trong tình trạng quá tải. - Giá thành bảo dưỡng thấp. Tuy nhiên động cơ khí nén có những khuyết điểm sau: - Giá thành năng lượng cao (khoảng 10 lần so với động cơ điện). - Số vòng quay phụ thuộc quá nhiều khi tải trọng thay đổi. - Xảy ra tiếng ồn lớn khi xả khí. a) b) Hình 7.31. Ký hiệu động cơ khí nén a. Động cơ khí nén quay 1 chiều; b. Động cơ khí nén quay 2 chiều Cấu tạo một số loại động cơ khí nén thường dùng bao gồm: - Động cơ bánh răng Động cơ bánh răng được chia ra làm ba loại: Động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh răng nghiêng và động cơ bánh răng chữ V. Động cơ bánh răng thường có công suất đến 59 kW với áp suất làm việc đến 6 bar và mô men đạt đến 540 Nm. Hình 7.32. Động cơ bánh răng 184 - Động cơ trục vít Hai trục quay của động cơ trục vít có biên dạng lồi và biên dạng lõm. Số răng của mỗi trục khác nhau. Điều kiện để hai trục quay ăn khớp là hai trục phải quay đồng bộ. Hình 7.33. Động cơ trục vít - Động cơ cánh gạt Nguyên lý hoạt động của động cơ cánh gạt như hình 7.34. Khí nén sẽ được dẫn vào cửa (1) qua rãnh vòng (2) vào lỗ dẫn khí nén (3). Dưới tác dụng áp suất lên cánh gạt, rô to quay, khí nén được thải ra ngoài bằng lỗ (8). Hình 7.34. Động cơ cánh gạt 1. Cửa nối khí nén; 2. Rãnh vòng; 3. Lỗ dẫn khí nén vào; 4. Rô to; 5.Cánh gạt; 6. Stato; 7. Lỗ dẫn khí; 8. Lỗ dẫn khí thoát ra - Động cơ píttông hướng kính Động cơ píttông hướng kính có công suất từ 1,5 đến 15kW. Nguyên lý hoạt động như sau: Áp suất khí nén sẽ tác động lên píttông (2), qua thanh truyền (3) làm cho trục khuỷu quay. Để cho trục quay không bị va đập và tải trọng đều trong lúc quay thường bố trí nhiều xilanh. 185 Hình 7.35. Động cơ píttông hướng kính 1. Xilanh; 2. Píttông; 3. Thanh truyền; 4. Van điều khiển; 5. Kênh dẫn trong xilanh - Động cơ píttông dọc trục Động cơ píttông dọc trục thường được bố trí 5 xilanh dọc theo trục gắn trên đĩa (3). Mô men quay được tạo thành bởi lực tiếp tuyến của xi lanh tác động. Động cơ píttông dọc trục điều khiển vòng quay được vô cấp và đạt được mô men quay khoảng 900Nm. Hình 7.36. Động cơ píttông dọc trục 1. Pít tông; 2. Xilanh; 3. Đĩa - Động cơ turbine Nguyên lý hoạt động của động cơ turbine là chuyển đổi động năng của dòng khí nén đi qua vòi phun thành cơ năng. Vì vậy động cơ đạt số vòng quay rất cao (10.000 v/ph). Động cơ turbine được phân chia theo hướng dòng khí nén vào turbine thành các loại: Dọc trục, hướng trục, tiếp tuyến và động cơ tia phun tự do. 186 Hình 7.37. Động cơ turbine - Động cơ màng: Nguyên lý hoạt động của động cơ màng như sau: Khi dòng khí nén vào làm cho màng dao động. Nếu nối màng với thanh truyền và một bánh cóc thì động cơ sẽ trở thành chuyển động quay không liên tục. Hình 7.38. Động cơ màng 187 Chương 8. ỨNG DỤNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 8.1. Ứng dụng hệ thống điều khiển khí nén và điện - khí nén 8.1.1. Thiết bị chuyển hướng Sử dụng thiết bị chuyển hướng để đưa các chi tiết từ băng chuyền này sang băng chuyền khác. Bằng cách ấn nút công tắc, dàn của thiết bị chuyển hướng được đẩy về trước, các chi tiết được đưa lên và dịch chuyển theo chiều ngược lại. Khi ấn nút công tắc khác, dàn được đưa về vị trí xuất phát ban đầu. Hình 8.1. Sơ đồ vị trí Sơ đồ mạch khí nén (hình 8.2) và sơ đồ mạch điện điều khiển (hình 8.3) Y2Y1 Y2Y1 Hình 8.2. Sơ đồ mạch khí nén 188 Y1 Y2 1 2 S2S1 Hình 8.3. Sơ đồ mạch điện điều khiển Nguyên lý làm việc Khi ấn nút công tắc S1, cuộn dây Y1 có điện và van đảo chiều solenoid hai chiều 5/2 chuyển vị trí. Cần píttông của xi lanh hoạt động đơn (hoạt động kép) dịch chuyển về vị trí cuối ở trước. Khi nhả công tắc S1 ra, mạch điện cung cấp cho cuộn dây Y1 được mở, van đảo chiều chuyển về vị trí ban đầu. Bằng cách ấn nút công tắc S2, mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được đóng và van hai chiều solenoid 5/2 được nối trở lại vị trí ban đầu, cần píttông của xi lanh hoạt động đơn (hoạt động kép) trở về vị trí co lại cuối cùng. Khi thả nút công tắc S2 ra, mạch điện đối với cuộn dây Y2 được mở. 8.1.2. Điều khiển phễu Yêu cầu: Vật liệu rời cần được đổ ra khỏi phễu bằng cách ấn nút công tắc, phễu được mở ra và vật liệu rời được đổ ra ngoài. Ấn nút công tắc khác, phễu được đóng lại như cũ. Hình 8.4. Sơ đồ vị trí 189 Nguyên lý làm việc Ấn nút công tắc S1, mạch điện đối với rơ le K1 được đóng lại và tiếp điểm thường mở của cuộn dây K1 được đóng lại. Mạch điện đối với cuộn dây Y1 được đóng lại và van solenoid hai chiều 5/2 được chuyển vị trí. Cần píttông của xi lanh hoạt động đơn (hoạt động kép) chuyển dịch về vị trí cuối ở trước. Sau khi nhả công tắc S1 ra, mạch điện đối với rơ le K1 được mở, tiếp điểm thường mở K1 mở ra, cuộn dây Y1 mất điện, van đảo chiều giữ nguyên vị trí cho đến khi có tín hiệu tác động ngược lại. Ấn nút công tắc S2, mạch điện đối với rơ le K2 được đóng lại và tiếp điểm thường mở của cuộn dây K2 được đóng lại. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được đóng lại và van solenoid hai chiều 5/2 được chuyển trở lại vị trí ban đầu. Cần píttông của xi lanh hoạt động đơn (hoạt động kép) trở về vị trí co lại cuối cùng. Sau khi nhả công tắc S2 ra, mạch điện đối với rơ le K2 được mở, tiếp điểm thường mở K2 mở ra, cuộn dây Y2 mất điện, van đảo chiều giữ nguyên ở vị trí đó chừng nào chưa có tín hiệu tác động ngược lại. Y2Y1Y2Y1 Hình 8.5. Sơ đồ mạch khí nén 1 2 3 4 K2K1S2S1 K1 K2 Y1 Y2 43 Hình 8.6. Sơ đồ mạch điện điều khiển 190 8.1.3. Ổ nạp đứng Các tấm gỗ cần được đẩy dọc theo ổ nạp đứng đến thiết bị cặp. Bằng cách ấn nút công tắc, một tấm gỗ được đẩy bằng tấm trượt khỏi ổ nạp đứng. Sau khi tấm trượt trượt đến vị trí cuối phía trước, nó sẽ quay trở lại vị trí xuất phát ban đầu. Hình 8.7. Sơ đồ vị trí Nguyên lý làm việc Ấn nút công tắc S1, mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y1 được đóng lại và van solenoid hai chiều 5/2 được chuyển vị trí, cần píttông của xi lanh hoạt động kép chuyển dịch về vị trí cuối ở trước và khởi động công tắc hữu hạn S2. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được đóng và van solenoid hai chiều 5/2 được chuyển vị trí làm cần píttông của xi lanh hoạt động kép trở về vị trí co lại cuối cùng. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được mở. Y1 Y2 1 2 S2S1 Hình 8.8. Sơ đồ mạch khí nén Hình 8.9. Sơ đồ mạch điện điều khiển 191 8.1.4. Ổ nạp đứng có nhiều khoang Yêu cầu: Các chi tiết được đẩy ra khỏi ổ nạp đứng có nhiều khoang tới thiết bị cặp. Bằng cách ấn nút công tắc các chi tiết được đẩy ra khỏi ổ nạp đứng có nhiều khoang bằng tấm trượt. Sau khi tấm trượt đạt đến vị trí cuối ở trước, nó sẽ trở lại vị trí xuất phát ban đầu. Hình 8.10. Sơ đồ vị trí Hình 8.11. Sơ đồ mạch khí nén 192 Nguyên lý hoạt động Bằng cách ấn nút công tắc S1, mạch điện đối với rơ le K1 đóng lại, tiếp điểm thường mở K1 được đóng lại và cung cấp điện cho van solenoid hai chiều 5/2, van chuyển vị trí làm píttông duỗi ra. Khi nhả nút công tắc S1 ra, mạch điện đối với rơ le K1 được mở và tiếp điểm thường mở K1 trở lại vị trí bình thường, mạch điện cung cấp cho cuộn solenoid Y1 được mở. Cần píttông của xi lanh dịch chuyển về vị trí cuối ở trước và khởi động công tắc hữu hạn 5/2, mạch điện đối với rơ le K2 được đóng và van solenoid hai chiều 5/2 được đảo lại trở lại vị trí ban đầu. Cần píttông của xi lanh hoạt động kép trở về trí co lại cuối cùng. Mạch điện cung cấp cho cuộn dây K2 được ngắt và các tiếp điểm thường mở K2 được đưa về vị trí bình thường ban đầu và cuộn dây solenoid Y2 mất điện. 1 2 3 4 K2K1S2S1 K1 K2 Y1 Y2 43 Hình 8.12. Sơ đồ mạch điện điều khiển 8.1.5. Điều khiển dây đai băng chuyền Yêu cầu Sử dụng băng chuyền, các chi tiết cần được vận chuyển trong các khoảng thời gian liên tục đến các vị trí làm việc lần lượt theo thứ tự. Khi công tắc có chốt được ấn, bánh xe chủ yếu được hoạt động bởi cần píttông của xilanh, thông qua chốt chặn, khi nút công tắc được ấn lần nữa, bánh lái tắt. Hình 8.13. Sơ đồ vị trí 193 Hình 8.14. Sơ đồ mạch khí nén Nguyên lý hoạt động Khi ấn nút công tắc S3, mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y1 được đóng và van solenoid 5/2 được chuyển vị trí. Cần píttông của xi lanh hoạt động kép chuyển dịch về vị trí cuối ở trước và khởi động công tắc hành trình S2. Sau khi píttông rời khỏi vị trí cuối ở sau, mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y1 được mở thông qua công tắc hành trình S1. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được đóng thông qua công tắc S2 và van hai chiều solenoid 5/2 được nối trở lại vị trí ban đầu. Cần píttông của xilanh trở về vị trí co lại cuối cùng và khởi động công tắc hành trình S1. Sau khi cần píttông rời khỏi vị trí cuối ở trước, mạch điện đối với cuộn dây Y1 được đóng bằng công tắc hành trình S1, thông qua công tắc S3 cần píttông của xi lanh trở về vị trí co lại ở trước. Hình 8.15. Sơ đồ mạch điện điều khiển 194 8.1.6. Bàn quay chỉ vị trí Sử dụng bàn quay chỉ vị trí, các can nhựa cần được cách quãng theo thứ tự thành hàng. Bằng cách ấn nút công tắc, cần píttông của xi lanh đưa bàn quay theo trình tự qua chốt chặn. Khi nút công tắc được ấn lần nữa, quá trình trên được tắt. Hình 8.16. Sơ đồ vị trí Hình 8.17. Sơ đồ mạch khí nén Nguyên lý làm việc Khi ấn nút công tắc S3, mạch điện đối với rơ ke K1 được đóng và tiếp điểm thường mở K1 được đóng lại. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y1 được đóng và van hai chiều 5/2 được đảo lại. Cần píttông của xi lanh chuyển dịch về vị trí cuối ở trước và khởi động công tắc hành trình S2. Sau khi cần píttông rời khỏi vị trí co lại cuối cùng, mạch điện đối với rơ le K1 được mở ra qua công tắc hành trình S1 và tiếp điểm thường mở K1 trở về vị trí bình thường. Mạch điện đối với cuộn dây K2 được đóng bằng công tắc S2 và tiếp điểm thường mở K2 được đóng lại. Mạch điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được đóng và van solenoid hai chiều 5/2 được nối trở lại vị trí ban đầu. Cần píttông của xi lanh trở về vị trí co lại cuối cùng và khởi động công tắc hành trình S1. Sau khi cần píttông rời khỏi vị trí cuối ở trước, mạch 195 điện đối với cuộn dây solenoid Y2 được mở ra bằng công tắc hành trình S2. Mạch điện đối với rơ le K1 lại được đóng qua công tắc S1 bởi công tắc có chốt S3 và tiếp điểm thường mở K1 được đóng lại. Mạch điện đối với cuộn dây Y1 được đóng và van solenoid hai chiều 5/2 được đảo lại, cần píttông co lại ở trước. Hình 8.18. Sơ đồ mạch điện điều khiển 8.1.7. Hệ thống ép vật liệu rời thành khối Điều khiển cần píttông để nén ép vật liệu rời thành các khối bánh. Tại các vị trí S0, S1 và S2 có các công tắc hành trình tương ứng x0, x1 và x2. Nút nhấn thực hiện hành trình ép là Sp. Đầu tiên píttông chạy với tốc độ v1 trong đoạn hành trình không ép S0S1, và sẽ chạy chậm với v2 trong hành trình ép S1S2. Gặp S2 píttông sẽ giật lùi về với vận tốc lớn nhất v3 và kết thúc chu kỳ ép tại S0. (chú ý: v3> v1 > v2). Hình 8.19. Sơ đồ mạch khí nén hệ thống ép vật liệu rời thành khối 196 Hình 8.20. Sơ đồ mạch điện điều khiển 8.1.8. Cơ cấu ép khi hàn nhiệt điện Một thanh hàn nhiệt điện được ép vào một trống tròn xoay được làm mát bằng xi lanh khí nén tác động kép (1A) và hàn tấm plastic thành các ống, hình 8.21. Hành trình duỗi ra được kích bằng một nút nhấn 1S1. Hành trình duỗi với áp suất là 4 bar và khi 1S4 được tác động thì bắt đầu ép cho tới áp suất ép tăng đến 8 bar thì píttông giật về. Gặp 1S3 thì píttông dừng lại, sau 2 giây thì chu kỳ ép mới lại bắt đều. Trong mạch sử dụng van 5/2. Xây dựng mạch điều khiển của cơ cấu ép khi hàn nhiệt điện. Hình 8.21. Sơ đồ vị trí 197 Hình 8.22. Sơ đồ mạch khí nén Hình 8.23. Sơ đồ mạch điện điều khiển 8.1.9. Máy thở tích cực trong y tế Sơ đồ mạch khí nén của máy thở tích cực trong y tế được biểu diễn ở hình 8.24. Nguyên lý làm việc Khí O2 và không khí được làm sạch ở các bộ lọc 1 và 2, chảy qua các van chặn dòng (3) và (4) đến hệ thống trộn, cấu tạo từ các đầu đo áp suất tuyệt đối (5) và (6) cũng như hai van tùy động điều khiển điện (7) và (8) để định lượng và tạo ra nồng độ khí mong muốn. Để hít vào, các van tùy động (7) và (8) cung cấp một lưu lượng xác định với nồng độ O2 chính xác. Cảm biến O2 (11) đo nồng độ O2 của khí hít vào, van thở ra (19) được điều khiển qua van điều chỉnh áp suất bằng điện (18), giữ kín phía thở ra. Sau quá trình thở ra tích cực, hai van tùy động (7) và (8) đóng lại. Van thở ra vẫn ở trạng 198 thái đóng. Để thở ra van (18) được thoát tải tạo áp suất điều khiển cho van thở ra (19), việc thở ra được thực hiện qua van chặn dòng (20). Van thở ra (19) và cảm biến lưu lượng (22) đến cửa xả khí. Ngoài ra còn có các van và phần tử cấu trúc có chức năng an toàn và tái lập các dạng thở khác, không mô tả trên hình vẽ. Hình 8.24. Sơ đồ mạch khí nén của máy thở tích cực trong y tế 1, 2, 15. Bộ phận lọc khí; 3, 4, 13, 14, 16, 20. Van chặn dòng; 5, 6. Cảm biến áp suất; 7, 8. Van tùy động; 9. Van áp suất; 10, 12. Van phân phối 2/2; 11. Cảm biến O2; 17, 21. Cảm biến áp suất; 18. Van điều chỉnh áp suất; 19. Van thở ra; 22. Cảm biến lưu lượng 8.2. Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén Trong một hệ thống điều khiển gồm nhiều mạch điều khiển. Hơn nữa trong quá trình điều khiển, nhiều hệ thống điều khiển được kết hợp với nhau, ví dụ: Điều khiển bằng khí nén kết hợp với điện, thủy lực...Để đơn giản quá trình điều khiển, nội dung tiếp theo sẽ trình bày cách biểu diễn các chức năng của quá trình điều khiển theo tiêu chuẩn của Cộng hòa liên bang Đức, gồm có: 8.2.1. Biểu đồ trạng thái Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,...), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước 199 được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên. + Xi lanh đi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-). + Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc “a”, “b”). + Một số ký hiệu các chức năng điều khiển được biểu diễn ở biểu đồ trạng thái: Hình 8.25. Một số ký hiệu biểu diễn trên biểu đồ trạng thái 8.2.2. Các phương pháp điều khiển bằng khí nén Phương pháp điều khiển được phân loại như sau (theo tiêu chuẩn DIN 19 237): - Điều khiển bằng tay: Điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp; - Điều khiển tùy động theo thời gian; - Điều khiển tùy động theo hành trình; - Điều khiển theo chương trình cứng; - Điều khiển theo tầng; - Điều khiển theo nhịp. a) Điều khiển bằng tay Với những hệ thống khí nén đơn giản, như xi lanh ép giữ phôi trên các máy thường dùng mạch khí nén điều khiển bằng tay. Mạch khí nén điều khiển bằng tay có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp. + Điều khiển trực tiếp Điều khiển trực tiếp có đặc điểm là chức năng đưa tín hiệu và xử lý tín hiệu do một phần tử đảm nhận. Ví dụ mạch điều khiển trực tiếp bằng tay với một phần tử đưa tín 200 hiệu (nút ấn 3/2) và một phần tử xử lý tín hiệu (van đảo chiều 3/2) được thể hiện trên hình 8.26. a) Biểu đồ trạng thái b) Hình 8.26. Mạch điều khiển trực tiếp với phần tử đưa và xử lý tín hiệu a) Mạch điều khiển; b) Biểu đồ trạng thái + Điều khiển gián tiếp Các phần tử sử dụng trong các mạch điều khiển trực tiếp có đặc điểm là tín hiệu ra phụ thuộc vào thời điểm đưa tín hiệu vào, nghĩa là khi tín hiệu vào mất thì tín hiệu ra cũng mất. Trong thực tế, để đảm bảo tiện lợi, cho điều khiển tín hiệu vào thường là xung (nút ấn, công tắc...). Khi tín hiệu tác động vào là dạng xung, tín hiệu ra thường là tín hiệu duy trì. Như vậy cần phải có phần tử duy trì tín hiệu và thời gian tự duy trì tín hiệu (dòng điện) trong mạch là khả năng nhớ của mạch và trong kỹ thuật điều khiển gọi 201 là phần tử nhớ (Flipflop). Ứng dụng trong mạch khí nén, việc điều khiển cần píttông duỗi ra và co về có thể thông qua phần tử nhớ (van đảo chiều không có vị trí 0), khi đó ta có mạch điều khiển gián tiếp. Trên hình 8.27 giới thiệu mạch điều khiển gián tiếp xi lanh khí nén tác động một phía bằng phần tử nhớ 1.3 (van đảo chiều xung 3/2) và khi đó cần hai phần tử đưa tín hiệu (nút ấn 3/2). a) Biểu đồ trạng thái b) Hình 8.27. Mạch điều khiển gián tiếp với phần tử nhớ a. Mạch điều khiển; b. Biểu đồ trạng thái Ứng dụng phần tử nhớ trong mạch điều khiển khí nén gián tiếp xi lanh tác động hai chiều giới thiệu trên hình 8.28. Ở đó, phần tử nhớ được sử dụng là van đảo chiều xung 5/2. 202 a) b) Hình 8.28. Mạch điều khiển gián tiếp xi lanh tác động hai phía với phần tử nhớ a. Mạch điều khiển; b. Biểu đồ trạng thái b) Điều khiển tùy động theo thời gian Trên hình 8.29 giới thiệu sơ đồ mạch khí nén điều khiển xi lanh tác động hai phía theo phương pháp điều khiển tùy động theo thời gian. Phần tử thời gian 1.2 được sử dụng là phần tử thời gian đóng chậm. Khi ấn nút ấn 1.1, van đảo chiều 1.3 đổi vị trí đưa khí nén vào khoang bên trái của xilanh 1.0 đẩy píttông duỗi ra, đồng thời khí nén sẽ đi qua cửa X để vào phần tử thời gian 1.2 và sau thời gian t van 1.3 đổi vị trí, píttông co về. 203 a) Biểu đồ trạng thái b) Hình 8.29. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển theo thời gian a) Mạch điều khiển; b. Biểu đồ trạng thái c) Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động Để tạo lập mạch khí nén điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động, phần tử thứ hai được bố trí giữa nút ấn có rãnh định vị và van đảo chiều như hình 8.30. 204 a) Biểu đồ trạng thái b) Hình 8.30. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động a. Mạch điều khiển; b. Biểu đồ trạng thái d) Điều khiển tùy động theo hành trình Mạch khí nén điều khiển theo hành trình được thực hiện với sự trợ giúp của công tắc hành trình. Vị trí của công tắc hành trình xác định vị trí chuyển động của cần píttông. 205 Hình 8.31 giới thiệu sơ đồ mạch điều khiển theo hành trình với một xi lanh có chu kỳ tự động. Phần tử đưa tín hiệu là nút ấn 1.1 có rãnh định vị. Mạch điều khiển thực hiện tự động khi ấn nút ở vị trí 1, còn khi nút ấn ở ví trí 0 thì mạch sẽ ngừng hoạt động. a) Biểu đồ trạng thái b) Hình 8.31. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển theo hành trình có chu kỳ tự động Xilanh hai chiều Van đảo chiều 5/2 Công tắc hành trình 3/2 Công tắc hành trình 3/2 Nút ấn 3/2 206 a. Mạch điều khiển; b. Biểu đồ trạng thái e) Điều khiển theo chương trình cứng Các điều khiển máy móc hoàn toàn tự động được phân theo ý muốn và được chỉ định theo các điều khiển chương trình hoặc các điều khiển liên tục. Cả hai hệ thống có những ích lợi và những bất lợi. Với điều khiển chương trình, các tác động được thi hành theo sự thỏa thuận với một chương trình định nghĩa trước. Thông thường bộ chương trình bao gồm một cái trục được vận hành bằng điện lắp với một số cam (chi tiết cam cơ khí) điều khiển một số van tương ứng. Chương trình được biên dịch bởi các cam được lắp đặt chính xác và tốc độ quay của trục cam. Hình khai triển 8.32 mô tả một điều khiển theo chương trình cứng điều khiển máy nong đầu cắt ống nhựa theo kích thước. Tốc độ của động cơ vận hành đồng bộ thích ứng với khoảng thời gian của một chu kỳ làm việc đầy đủ hoàn tất trong một vòng quay. Mỗi xi lanh tác động kép được điều khiển bởi van tác động con lăn 4/2 với lò xo trả về vị trí ban đầu. Hình 8.32. Điều khiển theo chương trình cứng f) Điều khiển theo tầng Điều khiển theo tầng là bước hoàn thiện của điều khiển tùy động theo hành trình. Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện có cùng chức năng thành từng tầng riêng. Phần tử cơ bản của điều khiển theo tầng là phần tử nhớ - rơ le. Cơ sở phương pháp điều khiển theo tầng là việc xác định các phần tử nhớ hay còn gọi là van đảo tầng (thường dùng van 4/2 hoặc van 5/2) và các tín hiệu kích hoạt các phần tử này. 207 Mạch điều khiển được chia thành n tầng sẽ có n -1 van đảo tầng, ví dụ ở sơ đồ mạch điều khiển 2 tầng sẽ có 1 van đảo tầng 4/2 với 2 tín hiệu điều khiển vào X,Y. Như vậy, khi tầng I được cấp nguồn thì tầng II sẽ bị khóa và ngược lại sẽ không tồn tại trạng thái cả 2 tầng cùng được cấp nguồn. + Mạch điều khiển 2 tầng (hình 8.33) Trong đó: e1, e2 là tín hiệu điều khiển vào; a1, a2 là tín hiệu điều khiển ra. Khi tầng I có khí nén, thì tầng II sẽ không có khí nén và ngược lại. Hình 8.33. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 2 tầng + Mạch điều khiển 3 tầng (hình 8.34) Trong đó: e1, e2, e3 là tín hiệu điều khiển vào; a1, a2, a3 là tín hiệu điều khiển ra. Khi tầng I có khí thì tầng II và III không có khí, nghĩa là khi 1 tầng có khí thì 2 tầng còn lại không có khí. 208 Hình 8.34. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 3 tầng + Mạch điều khiển 4 tầng (hình 8.35) Hình 8.35. Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 4 tầng h) Mạch khí nén điều khiển theo nhịp Các phương pháp điều khiển được trình bày ở các phần trước có một đặc điểm là khi thay đổi quy trình công nghệ hay yêu cầu đề ra, đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều 209 khiển, như vậy mất nhiều thời gian và công sức. Phương pháp điều khiển theo nhịp khắc phục được những nhược điểm trên. + Cấu tạo khối của nhịp điều khiển: - Cấu tạo khối của nhịp điều khiển gồm có 3 phần tử là: phần tử AND, phần tử nhớ và phần tử OR. Hình 8.36. Cấu tạo khối của nhịp điều khiển - Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là: Các bước thực hiện lệnh xảy ra tuần tự. Có nghĩa là khi các lệnh trong nhịp một thực hiện xong thì sẽ thông báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời sẽ xóa lệnh nhịp thực hiện trước đó. Tín hiệu vào Yn tác động (ví dụ: tín hiệu khởi động), tín hiệu điều khiển A1 có giá trị L. Đồng thời sẽ tác động vào nhịp trước đó Zn-1 để xóa lệnh thực hiện trước đó. Đồng thời sẽ chuẩn bị cho nhịp tiếp theo cùng với tín hiệu vào X1 (hình 8.37). Như vậy, khối của nhịp điều khiển gồm các chức năng: - Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo. - Xoá lệnh của nhịp trước đó. - Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển. Hình 8.37. Mạch LOGIC của chuỗi điều khiển theo nhịp Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp được trình bày trên hình 8.38. Nhịp thứ nhất Zn sẽ được xóa bằng nhịp cuối cùng Zn+1. 210 Hình 8.38. Biểu diễn đơn giản chuỗi điểu khiển theo nhịp Trong thực tế có 3 loại khối điều khiển theo nhịp: - Loại ký hiệu TAA: khi cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều đổi vị trí: * Tín hiệu ở cổng A có giá trị L. * Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu X. * Đèn tín hiệu sáng. * Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về vị trí RESET. Hình 8.39. Khối kiểu TAA - Loại ký hiệu TAB: Loại này thường được bố trí ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển theo nhịp. Ngược lại với kiểu TAA, kiểu TAB có phần tử OR nối với cổng Yn (hình 8.40). Khi cổng L có khí nén, thì toàn bộ các khối của chuỗi điều khiển (trừ khối cuối cùng) sẽ trở về vị trí ban đầu. Như vậy, khối kiểu TAB có chức năng như là điều kiện để chuẩn bị khởi động của mạch điều khiển. Khối kiểu TAB cũng có chức năng tương tự như khối kiểu TAA. Đó là khi cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí: * Tín hiệu ở cổng a có giá trị L. * Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu ở cổng X. 211 * Đèn tín hiệu sáng. * Phần tử nhớ của nhịp trước đó trở về vị trí RESET. Hình 8.40. Khối kiểu TAB - Loại ký hiệu TAC: Loại tín hiệu không có phần tử nhớ và phần tử OR. Như vậy, loại TAC có chức năng là trong nhịp điều khiển tiếp theo, khi tín hiệu của nhịp trước đó vẫn còn giá trị L thì đèn tín hiệu vẫn còn sáng ở nhịp tiếp theo. Hình 8.41. Khối kiểu TAB Chuỗi điều khiển theo nhịp 4 khối: 3 khối kiểu TAA và 1 khối kiểu TAB biểu diễn ở trên hình 8.42. Hình 8.42. Chuỗi điều khiển theo nhịp gồm: 3 khối kiểu TAA và 1 khối kiểu TAB 8.3. Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén 212 8.3.1. Nguyên tắc thiết kế Mạch điều khiển điện khí nén cũng tương tự như mạch điều khiển điện thủy lực. Sơ đồ mạch điều khiển điện khí nén gồm hai phần: Sơ đồ mạch điện - khí nén gồm có hai phần: - Sơ đồ mạch khí nén. - Sơ đồ mạch điện điều khiển. Ký hiệu các phần tử điện trên sơ đồ mạch điều khiển tương tự như điều khiển điện - thủy lực. Sau đây giới thiệu một số mạch điều khiển điện - khí nén cơ bản nhất. 8.3.2. Mạch điều khiển điện - khí nén với một xilanh a) Mạch điều khiển có tiếp điểm tự duy trì + Mạch khí nén Sơ đồ mạch khí nén đơn giản bao gồm xilanh 1.0 và phần tử điện khí nén 1.1 (van đảo chiều solenoid). Sơ đồ mạch điều khiển được biểu diễn ở hình 8.43. Khi tác động vào nút ấn S2, rơ le K2 có điện, các tiếp điểm thường mở của rơ le K2 sẽ đóng lại. Tiếp điểm K2 ở nhánh 3 có tác dụng duy trì dòng điện cung cấp cho rơ le K2, còn tiếp điểm K2 ở nhánh 5 đóng lại cung cấp dòng điện đến cuộn dây Y5 của van đảo chiều, kết quả làm cho van đảo chiều thay đổi vị trí để cung cấp khí nén để píttông duỗi ra. Khi tác động vào nút ấn S1, dòng điện trong nhánh 2 mất, rơ le K2 mất điện, các tiếp điểm thường mở tương ứng K2 mở ra, ngừng cung cấp điện cho cuộn dây Y5 của van đảo chiều, kết quả là píttông sẽ lùi trở về. a) + Biểu đồ trạng thái b) + Mạch điện điều khiển 213 c) Hình 8.43. Sơ đồ mạch điều khiển điện - khí nén có tiếp điểm tự duy trì a. Sơ đồ mạch khí nén; b. Biểu đồ trạng thái; c. Sơ đồ mạch điện điều khiển b) Mạch điều khiển có rơle thời gian tác động chậm Biểu đồ trạng thái, sơ đồ mạch khí nén được trình bày ở hình 8.44. Sơ đồ mạch điều khiển với phần tử tự duy trì và rơle thời gian tác động chậm. Sau thời gian t1 công tắc hành trình điện - cơ S2 đóng (vị trí cuối hành trình) thì rơle thời gian tác đ