Giáo trình công nghệ khí nén thủy lực ứng dụng (nghề công nghệ ô tô cao đẳng) 2

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LÊ VĂN LƯƠNG (Chủ biên)
LƯU HUY HẠNH – NGUYỄN QUANG HUY

GIÁO TRÌNH CƠNG NGHỆ KHÍ NÉN- THỦY
LỰC ỨNG DỤNG
Nghề: Cơng nghệ Ơ tơ
Trình độ: Cao đẳng
(Lưu hành nội bộ)

Hà Nội - Năm 2018


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
Mã tài liệu: MH 13

1


LỜI GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật
đã giúp cho có sự thay đổi vượt bậc trong cuộc sống của con người. Bên cạnh sự
phát triển của các ngành như: Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tự động hóa...thì ngành
kỹ thuật thủy khí ngày càng trở nên có ý nghĩa và chiếm một vị trí quan trọng

trong một số lĩnh vực của cuộc sống, đặc biệt trong ngành chế tạo máy và kỹ
thuật ơtơ, các máy cơng trình thì truyền động thủy lực khí nén đang có một vai
trị đáng kể do có mật độ cơng suất cao, kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao và đặc
biệt là việc bố trí các phần tử tự do và linh động theo khơng gian và van điều
khiển, có chi phí cơng suất nhỏ là những ưu điểm nổi bật của công nghệ truyền
động khí nén thủy lực. Với những ưu điểm như vậy, nên ở nước ta hiện nay đã
có rất nhiều máy móc sử dụng truyền đồng thủy lực khí nén tuy nhiên số lượng
những thợ giỏi về lĩnh vực này lại khá khiêm tốn. Nhằm giúp cho sinh viên có
thể nắm được một số kiến thức cơ bản về truyền động thủy lực khí nén, tiếp cận
dần với cơng việc sửa chữa các thiết bị có liên quan trong thực tế.
Nội dung của giáo trình biên soạn được dựa trên sự kế thừa nhiều tài liệu
của các trường đại học và cao đẳng, kết hợp với yêu cầu nâng cao chất lượng
đào tạo cho sinh viên các trường dạy nghề trong cả nước. Để giúp cho người học
có thể nắm được những kiến thức cơ bản của môn học thủy lực khí nén, nhóm
biên soạn đã sắp xếp mơn học theo từng chương theo thứ tự:
Chương 1: Khái niệm và các quy luật về truyền động bằng khí nén
Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén
Chương 3: Khái niệm và các quy luật về truyền động bằng thủy lực
Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực
Kiến thức trong giáo trình được biên soạn theo chương trình Tổng cục Dạy
nghề, sắp xếp logic và cô đọng. . Do đó người đọc có thể hiểu một cách dễ dàng
các nội dung trong chương trình.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi sai sót, tác giả
rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để lần xuất bản sau giáo
trình được hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày…..tháng…. năm 2018
2

MỤC LỤC
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ................................................................................. 1
LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................... 2
MỤC LỤC ............................................................................................................ 3
CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC ..................................................................... 4
Chương 1: Khái niệm về các quy luật và truyền động khí nén .................. 6
1.1 Khái niệm, yêu cầu và các thông số của khí nén .................................. 6
1.2 Các quy luật truyền dẫn bằng khí nén ................................................. 17
1.3 Nhận dạng các thiết bị sử dụng khí nén .............................................. 24
Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén......................................... 39
2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu, phân loại hệ thống truyền động bằng khí nén .... 39
2.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng
khí nén ....................................................................................................... 40
2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy nén khí .............................. 45
Chương 3: Khái niệm và các quy luật về truyền động bằng thủy lực ..... 54
3.1 Khái niệm, yêu cầu và các thông số của thủy lực ............................... 54
3.2 Các quy luật truyền dẫn bằng thủy lực ............................................... 58
3.3 Nhận dạng các thiết bị thủy lực .......................................................... 62
Chương 4: Cấu tạo hệ thống truyền động bằng thủy lực.......................... 80
4.1 Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại .......................................................... 80
4.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng
thủy lực ...................................................................................................... 81
4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy thủy lực ............................. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 93

3


CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: CƠNG NGHỆ KHÍ NÉN – THỦY LỰC ỨNG DỤNG

Mã số của môn học: MH 13
Thời gian thực hiện môn học: 45 giờ (Lý thuyết: 42 giờ; Thực hành, thí nghiệm,
thảo luận, bài tập: 0 giờ; Kiểm tra: 3 giờ)
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC:
- Vị trí: Mơn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau:
MH 08, MH 09, MH 10, MH 11, MH 12, MH13, MH 14, MH 15, MH 16, MĐ 18,
MĐ 19
- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở .
II. MỤC TIÊU CỦA MÔN HỌC:
- Về kiến thức:
+ Hệ thống được kiến thức cơ bản về mạch điện
+ Trình bày được yêu cầu, nhiệm vụ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các
loại máy điện dùng trong phạm vi nghề Cơng nghệ Ơ tơ
+ Trình bày được cơng dụng và phân loại các loại khí cụ điện
- Về kỹ năng:
+ Vẽ được sơ đồ dấu dây, sơ đồ lắp đặt các mạch điện cơ bản
+ Tuân thủ đúng quy định về an toàn khi sử dụng thiết bị điện
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện tác phong làm việc cẩn thận
III. NỘI DUNG MÔN HỌC
Thời gian (giờ)
Số
TT

I

Tên chương mục

Thực hành, Kiểm
Tổng Lý

thí nghiệm, tra*
số
thuyết thảo luận,
Bài tập

Khái niệm và các quy luật về
9
truyền động bằng khí nén

9

Khái niệm, u cầu và các thơng
2
số của khí nén

2

Các quy luật truyền dẫn bằng khí 3

3

4


nén

II

III

IV

Nhận dạng các thiết bị sử dụng
4
khí nén.

4

Hệ thống truyền động bằng khí
11
nén

10

Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại

2

2

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của hệ thống truyền động 5
bằng khí nén

5

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
4
của máy nén khí.

3

1

Khái niệm và các quy luật về
11
truyền động bằng thủy lực

10

1

Khái niệm, yêu cầu và các thông
3
số của chất lỏng

3

Các quy luật truyền dẫn bằng
3
thủy lực

3

Nhận dạng các thiết bị thủy lực.

4

1

Cấu tạo hệ thống truyền động
14
bằng thủy lực

13

1

Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại

3

3

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của hệ thống truyền động 5
bằng thủy lực

5

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
6
của máy thủy lực.

5

1

Tổng cộng

42

3

5

45

5

1


Chương 1: Khái niệm về các quy luật và truyền động khí nén
Mục tiêu:
- Phát biể u đúng các khái niê ̣m, yêu cầ u và các thông số của truyề n đô ̣ng
bằ ng khí nén
- Giải thích được các quy luâ ̣t truyề n dẫn của khí nén
- Phát biể u đúng yêu cầ u, nhiệm vu ̣ và phân loa ̣i hê ̣ thố ng truyề n đô ̣ng
bằ ng khí nén
- Giải thích đươ ̣c sơ đồ cấu ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của hê ̣ thố ng truyề n
đô ̣ng bằ ng khí nén
- Nhận dạng được cấ u ta ̣o và nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của các thiế t bi truyề
n
̣
đô ̣ng bằ ng khí nén
- Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén.
1.1 Khái niệm, u cầu và các thơng số của khí nén
Bên cạnh các chất lỏng thủy lực như nước và dầu, khí nén cũng là một
trong những mơi chất mang năng lượng và tín hiệu quan trọng nhất trong kỹ

thuật thủy khí.
Trong các hệ thống truyền động khí nén mơi chất là khơng khí nén – một
chất “lỏng” chịu nén. Như vậy có thể lấy khơng khí từ môi trường, nén lại,
truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra
mơi trường.
Khí nén đã được ứng dụng từ rất lâu, cách đây trên 2000 năm, người ta đã
biết tạo ra khí nén, lưu trữ khí nén và sử dụng làm môi chất mang năng lượng.
Vào quãng thế kỷ thứ 3 và thứ nhất trước công nguyên ở Alexandrie các nhà cơ
khí Ktesibios và Heron đã
phát minh ra các thiết bị máy móc hoạt động bằng khí nén.
Tuy nhiên lịch sử phát triển của kỹ thuật khí nén cũng có những bước
thăng trầm. Một mặt do trình độ kỹ thuật công nghệ các thời kỳ trước chưa
tương xứng, mặt khác cịn có sự cạnh tranh gay gắt của các hệ thống truyền năng
lượng khác như động cơ nhiệt, truyền động điện… mà mãi đến những năm gần
đây kỹ thuật khí nén mới lại có được vai trị xứng đáng của nó trong sản xuất.
Thời kỳ bùng nổ của kỹ thuật khí nén bắt đầu cùng với sự phát triển mạnh mẽ
của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa của các q trình sản xuất, nhất là khi có
sự tham gia của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật tính hiện đại. Ngày nay khí nén đã
6


tham gia vào hầu hết các lĩnh vực sản xuất như chế tạo máy, xây dựng, kỹ thuật
xe hơi, kỹ thuật y học, kỹ thuật rơ bot, khai khống…
1.1.1 Khái niệm
1.1.1.1 Khái niệm
Là hệ thống truyền động lấy khơng khí từ mơi trường ngồi, nén lại truyền dẫn
làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra mơi trường.
1.1.1.2 Sản xuất khí nén
Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén,
nguồn khí này phải được sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với

một áp suất nhất định thích hợp cho năng lượng hệ thống.
a. Máy nén khí
Máy nén khí là máy có nhiệm vụ thu hút khơng khí, hơi ẩm, khí đốt ở một
áp suất nhất định và tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn.
b. Các loại máy nén khí cơng suất nhỏ thường sử dụng
Máy nén khí được phân loại theo áp suất hoặc theo nguyên lý hoạt động.
Đối với nguyên lý hoạt động ta có:
- Máy nén theo nguyên lý thể tích: máy nén pít tơng, máy nén khí kiểu trục
vít, máy nén cánh gạt.
- Máy nén tuốc bin là được dùng cho công suất rất lớn và không kinh tế
khi sử dụng lưu lượng dưới mức 600m3/phút. Vì thế nó khơng mang lại áp suất
cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng.
* Máy nén kiểu pít tơng

Hình 1.1. Máy nén khí kiểu piston

Máy nén pít tơng (hình 1.1) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng
7


suất đến 500m3/phút. Máy nén 1 pít tơng có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ
có thể đến 10 bar; máy nén kiểu pít tơng hai cấp có thể nén đến 15 bar; 3-4 cấp
lên đến 250 bar.
* Máy nén khí kiểu trục vít
Máy nén trục vít làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích không
gian giữa hai răng kề nhau và vỏ sẽ thay đổi khi trục trục vít quay. Do các rơ to
được chế tạo ở dạng trục vít nên điểm nén sẽ dịch chuyển từ cửa nạp đến cửa đẩy.
Phần chính của máy nén trục vít gồm 2 rơ to: rơ to chính 2 và rơ to phụ 1,
(hình 1.3 ). Số đầu mối ren trên rơ to xác định thể tích làm việc của máy, có
nghĩa là thể tích khơng khí cuốn vào trong một vòng quay. Số đầu mối ren càng

lớn thể tích làm việc càng nhỏ. Số đầu mối ren của hai rô to khác nhau sẽ cho
hiệu suất cao hơn

Hình 1.2. Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít

Hình 1.3. Q trình hút, nén và đẩy của máy nén trục vít

8


* Máy nén kiểu cánh quạt (Rotary compressors)
Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt mơ tả ở hình 1.2:
khơng khí sẽ được vào buồng hút. Nhờ rôto và stato đặt lệch tâm, nên khi rôto
quay chiều sang phải, thì khơng khí vào buồng nén. Sau đó khí nén sẽ đi ra
buồng đẩy.

Hình 1.4. Máy nén khí kiểu cánh gạt

1.1.1.3 Phân phối khí nén
a. Phân phối khí nén
Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển khơng khí nén từ nơi sản
xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p và lưu lượng Q và chất lượng khí nén
cho các thiết bị làm việc, ví dụ như van, động cơ khí, xy lanh khí…

Hình 1.5. Hệ thống, thiết bị phân phối khí nén

9


Truyền tải khơng khí nén được thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén,

chú ý đối với hệ thống ống dẫn khí có thể là mạng đường ống được lắp ráp cố
định (trong toàn nhà máy) và mạng đường ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong
từng máy mô tả ở hình 1.3. Đối với hệ thống phân phối khí nén ngồi tiêu chuẩn
chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn đúng các thông số của hệ thống ống
dẫn ( đường kính ống, vật liệu ống); cách lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ
thống phẫn phối cũng đóng vai trị quan trọng về phương diện kinh tế cũng như
yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khí nén.
* Bình nhận và trích khí nén
Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén của máy
nén khí chuyển đến, trích chứa, ngưng tụ và tách nước trước khi chuyển đến nơi
tiêu thụ.
Kích thước của bình trích chứa phụ thuộc vào cơng suất của máy nén khí,
cơng suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng vàphương pháp sử dụng khí nén.
Bình trích chứa khí nén có thể đặt nằm ngang, nằm đứng. Đường ống ra
của khí nén bao giờ cũng nằm ở vị trí cao nhất của bình trích chứa (hình 1.6)

Hình 1.6. Các loại bình trích chứa khí nén

* Đường ống
Đường ống dẫn khí nén có đường kính trong vài milimet trở lên. Chúng
được làm bằng các vật liệu cao su, nhựa hoặc kim loại.
Thơng số cơ bản kích thước ống (đường kính bên trong) phụ thuộc vào:
vận tốc dịng chảy cho phép, tổn thất áp suất cho phép, áp suất làm việc, chiều
dài ống, lưu lượng, hệ số cản trở dòng chảy và các phụ kiện nối ống.
10


- Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q=v.F). Vận tốc dòng
chảy càng lớn, tổn thất áp suất trong ống càng lớn.
- Vận tốc dòng chảy: vận tốc dịng chảy của khí nén trong ống dẫn nên

chọn là từ 6 ÷ 10 m/s. Vận tốc của dịng chảy khi qua các chỗ lượn cua của ống
hoặc nối ống, van, những nơi có tiết diện nhỏ lại sẽ tăng lên, hay vận tốc dòng
chảy sẽ tăng lên nhất thời khi các thiết bị hay máy móc đang vận hành.
- Tổn thất áp suất: tốt nhất không vượt quá 0.1 bar. Thực tế sai số cho
phép đến 5% áp suất làm việc. Như vậy tổn thất áp suất là 0.3 bar là chấp nhận
được với áp suất làm việc là 6 bar.
- Hệ số cản dòng chảy: khi lưu lượng khí đi qua các chỗ nối khớp, van,
khúc cong sẽ gây ra hiện tượng cản dòng chảy. Bảng 1, biểu thị các hệ số cản
tương đương chiều dài ống dẫn l’ của các phụ kiện nối.
Bảng 1. Giá trị hệ số cản  tương đương chiều dài ống dẫn l

1.1.1.4 Xử lý khí nén
Khí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể
ở các mức độ khác nhau. Chất bẩn có thể là bụi, độ ẩm của khơng khí hút vào,
11


những cặn bả của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa trong q trình
nén nhiệt độ của khí nén tăng lên, có thể gây ra ơxy hóa một số phần tử của hệ
thống. Do đó việc xử lý khí nén cần phải thực hiện bắt buộc. Khí nén khơng
được xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng hoặc gây trở ngại tính làm việc của các
phần tử khí nén. Đặc biệt sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển địi hỏi chất
lượng khí nén rất cao. Mức độ xử lý khí nén tùy thuộc vào từng phương pháp xử
lý. Trong thực tế người ta thường dùng bộ lọc để xử lý khí nén (hình 1.7).

Hình 1.7. Bộ lọc khí

Van lọc khí (hình 1.8) là làm sạch các chất bẩn và ngưng tụ hơi nước chứa
trong nó. Khí nén sẽ tạo chuyển động xoắn khi qua lá xoắn kim loại, sau đó qua
phần tử lọc, các chất bẩn được tách ra và bám vào màng lọc, cùng với những

phân tử nước được để lại nằm ở đáy của bầu lọc. Tùy theo yêu cầu chất lượng của
khí nén mà chọn phần tử lọc. Độ lớn của phần tử lọc nên chọn từ 20µm – 50µm

.Hình 1.8. Van lọc khí nén

Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều
chỉnh, mặc dù có sự thay đổi bất thường của áp suất làm việc ở đường ra hoặc sự
12


dao động của áp suất ở đầu vào. Ap suất ở đầu vào luôn luôn là lớn hơn áp suất
ở đầu ra (hình 1.9).

Hình 1.9. Van điều chỉnh áp suất

Van điều chỉnh áp được điều chỉnh bằng vít điều chỉnh tác động lên màng
kín. Phía trên của màng chịu tác dụng của áp suất đầu ra, phía dưới chịu tác
dụng của lực lị xo sinh ra do vít điều chỉnh. Bất kỳ sự tăng áp ở đầu tiêu thụ gây
cho màng kín dịch chuyển chống lại lực căn của lị xo vì vậy hạn chế dịng khí
đi qua miệng van cho tới lúc có thể đóng sát.
Khi khí nén được tiêu thụ, áp suất đầu ra giảm, kết quả là đĩa van được mở
bở lực căn lò xo lực. Để ngăn chặn đĩa van dao động chập chờn phải dùng đến lò
xo cản gắn trên đĩa van.
Van tra dầu: được sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bị trong hệ
thống điều khiền khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mịn và sự gỉ (hình 1.10).

Hình 1.10. Van dầu

13

1.1.2 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén
1.1.2.1 Ưu điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
− Tính đồng nhất năng lượng giữa phần I và P ( điều khiển và chấp hành)
nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện.
− Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng: 3 – 8 bar.
− Khả năng quá tải lớn của động cơ khí
− Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật
− Tuổi thọ lớn
− Tính đồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử
chức năng báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trường dễ nổ,
và bảo đảm môi trường sạch vệ sinh.
− Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén
nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít.
− 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, nền truyền động có thể đạt
được vận tốc rất cao.
1.1.2.2 Nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
− Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử
− Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với điện tử , chỉ điều khiển theo
chương trình có sẵn. Khả năng điều khiển phức tạp kém.
− Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh.
− Lực truyền tải trọng thấp.
− Dịng khí nén thốt ra ở đường dẫn gây tiếng ồn
− Khơng điều khiển được quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng.
1.1.2.3 Yêu cầu về hệ thống truyền động bằng khí nén
Hệ thống truyền động khí nén gồm có các bộ phận để chuyển đổi năng
lượng khí nén, các bộ phận để điều khiển hệ thống, để điều khiển và điều chỉnh
môi chất, ngồi ra cịn có các bộ phận để chuẩn bị khí nén, lưu giữ và phân phối
khí nén… Các bộ phận chuyển đổi năng lượng khí nén gồm: các máy nén khí

(biến năng lượng cơ học thành áp năng tích lũy trong khí nén), các động cơ và xi
lanh khí nén (biến năng lượng tích lũy trong khí nén thành năng lượng cơ học ở

14


dạng chuyển động quay, chuyển động thẳng hoặc chuyển động lắc). Chính vì
vậy hệ thống truyền động khí nén cần đảm bảo các yêu cầu:
- Kết cấu đơn giản, dễ bảo dưỡng sửa chữa
- Tuổi thọ và độ kín khít giữa các bộ phận lắp ghép phải đảm bảo
- Có độ an tồn cao
- Giá thành rẻ
1.1.3 Các thơng số của khí nén
1.1.3.1 Lực
- Đơn vị của lực là Newton (N). 1 Newton là lực tác động lên đối trọng có
khối lượng 1kg với gia tốc 1 m/s2.
1 N = 1 kg.m/s2
1.1.3.2 Áp suất
- Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là pascal.
- Pascal (Pa) là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác
động vng góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N).
1 Pascal = 1 N/m2 = 1kg m/s2/m2 = 1kg/ms2
- Ngồi ra cịn dùng đơn vị bar:
1 bar = 105Pa = 1Kg/cm2 =1 at
- Một số nước tư bản còn dùng đơn vị psi ( pound (0.45336 kg) per square
inch (6.4521 cm2). Kí hiệu lbf/in2 (psi); 1 bar = 14,5 psi
- Áp suất có thể tính theo cột áp lưu chất P = w*h
Trong đó:
w trọng lượng riêng lưu chất
h chiều cao cột áp

1.1.3.3 Lưu lượng
- Lưu lượng là vận tốc dòng chảy của lưu chất qua một tiết diện dòng chảy.
Đơn vị thường dùng là l/min.
Q = v.A
Trong đó:
Q lưu lượng của dịng chảy
15


A Tiết diện của dịng chảy
v Vận tốc trung bình của dịng chảy
1.1.3.4 Cơng
- Đơn vị của cơng là Joule (J). 1 Joule là công sinh ra dưới tác động của
lực 1 N để vật dịch chuyển quãng đường 1 m.
1 J =1Nm
1 J = 1 m2kg/s2
- Cơng được tính theo cơng thức: Wk = F*L
Trong đó:
F lực tác dụng vào vật
L quảng đường vật đi được.
1.1.3.5 Công suất
- Đơn vị công suất là Watt
-1 Watt là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 joule.
1 W = 1 Nm/s
1 W = 1 m2kg/s3
- Công suất được tính theo cơng thức:

1.1.3.6 Độ nhớt
- Độ nhớt động của một chất là có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng
riêng 1kg/ cm3.

Trong đó:
 : độ nhớt động lực [Pa.s]
 : khối lượng riêng [kg/m3]
v: độ nhớt động [m2/s]
16


- Ngồi ra ta cịn sử dụng đơn vị độ nhớt động là Stokes (St) hoặc là
centiStokes (cSt).
Chú ý: độ nhớt động khơng những có vai trị quan trọng trong hệ thống
điều khiển khí nén mà nó rất quan trọng trong điều khiển thủy lực.
1.2 Các quy luật truyền dẫn bằng khí nén
1.2.1 Các phương trình tính tốn dịng chảy khí nén
1.2.1.1 Các đại lượng vật lý cơ bản của khơng khí
Bảng 1.2. Các đại lượng vật lý cơ bản của khơng khí

Stt

Đại lượng vật lý

K.hiệ
u

Giá trị

Đơn vị

1

Khối lượng riêng

n

1,293

kg/m3

2

Hằng số khí

R

287

J/kg.K

3

Tốc độ âm thanh

s

331,2

m/s

Nhiệt lượng riêng

T=273K, Pa=760
Ở nhiệt độ 00C
Ở nhiệt độ 200C

344
4

Ghi chú

cp

1,004

kJ/kg.K

Áp suất hằng số

cv

0,717

kJ/kg.K

Thể tích hằng số

5

Số mũ đoạn nhiệt

K

1,4

6

Độ nhớt động lực



17,17.10-6

Pa.s

Ở trạng thái tiêu chuẩn

7

Độ nhớt động



13,28.10-6

m2/s

Ở trạng thái tiêu chuẩn

1.2.1.2 Các phương trình tính tốn
* 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 qt của khí nén:
pabs .V = m.R.T.
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].
17


pabs .V
 m.R
T
Hay:
p1abs .V1 p 2 abs .V2

T1
T2

Khối lượng không khí m được tính theo cơng thức:
- Khi nhiệt độ T khơng thay đổi, ta có:
m

1

m

p 2 abs
p1abs



2

Hay:

 2  1 .

p2abs
.
p1abs

- Khi áp suất p không thay đổi, ta có:
 2  1 .

T1
.
T2

- Khi cả ba đại lượng trên đều thay đổi, ta có:
2 

T1 . p2 abs .1
.
T2 . p1abs

Thể tích riêng của khơng khí:
v=

V
.[m3/kg].
m

Suy ra, ta có phương trình trạng thái của khí nén:
p.v
 R , hay p.v = R.T.
T

Trong đó; R là hằng số khí.
Nhiệt lượng riêng c là nhiệt lượng cần thiết để nung nóng khối lượng khơng
khí 1 kg lên 10K. Nhiệt lượng riêng khi thể tích khơng 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:

18


k=

cp
cv

Hiệu số của cp và cv gọi là hằng số khí R:
R = cp – cv = cp

k 1
= cv(k -1)
k

Trạng thái đoạn nhiệt là trạng thái mà trong quá trình nén hay giãn nở

khơng có nhiệt được đưa vào hay lấy đi, có phương trình sau:
p1.v1k = p2.v2k = hằng số.
k

p
v
T
Hay 1  ( 2 ) k  ( 1 ) k 1 .
p2
v1
T2

Diện tích mặt phẳng 1, 2, 5, 6 trong hình 1.11 tương ứng lượng nhiệt giãn
nở cho khối lượng khí 1 kg và có giá trị:
k 1
p1 .v1   v1  
1    
W
k  1   v2  


k 1


p1 .v1   p 2  k 
W
1  
k  1   p1  



W

p1 .v1  T2 
1  
k  1  T1 

Công kỹ thuật Wt là cơng cần thiết để nén lượng khơng khí (Ví dụ trong
máy nén khí) hoặc là cơng thực hiện khi áp suất khí giãn nở. Diện tích mặt
phẳng 1, 2, 3, 4 ở trong hình 1.11 là cơng thực hiện để nén hay cơng thực hiện
khí áp suất khí giãn nở cho 1 kg khơng khí, có giá trị:
  v  k 1 
k
p1 .v1 1   1  
Wt 
k 1
  v2  
k 1


 p2  k 
k



W
p1 .v1 1   
  p1  
k 1




Trong thực tế không thể thực hiện được quá trình đẳng nhiệt hay 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:

19


n

n

 T  n 1
v 
p
p1.v1n = p2.v2n = hằng số Hay 1   2    2 
p 2  v1 
 T1 

Quá trình đẳng nhiệt:

n = 1.

Quá trình đẳng áp:

n = 0.

Quá trình đoạn nhiệt:

n = k.

Q trình đẳng tích:

n = .
4

p

1

p1
3

2

p2

V
V1

6

5

V2
Hình 1.11. Biểu đồ đoạn nhiệt.

* Phương trình dịng chảy:
- Phương trình dịng chảy liên tục:

Lưu lượng khí nén chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2 là khơng
đổi (hình 1.11), ta có phương trình dịng chảy như sau:
Qv1 = Qv2 Hay: w1.A1 = w2.A2 = hằng số.
Trong đó:
Qv1, Qv2[m3]:

Lưu lượng dịng chảy tại vị trí 1 và vị trí 2.

w1 [m/s]:

Vận tốc dịng chảy tại vị trí 1.

w2 [m/s]:

Vận tốc dịng chảy tại vị trí 2.

A1 [m2]:

Tiết diện chảy tại vị trí 1.

A2 [m2]:

Tiết diện chảy tại vị trí 2.
20


- Phương trình Becnully:
Phương trình Becnully được viết như sau:
m.

p
w2
p
w12
 m.g.h1  m 1  m. 2  m.g.h2  m 2 .
2
2



Trong đó:
m.

w2
:
2

m.g.h:
m.

p



Động năng.
Thế năng.

 V . p : Áp năng.

g:

Gia tốc trọng trường.

:

Khối lượng riêng khơng khí.

p:

Áp suất tĩnh.

c. Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp
Lưu lượng khối lượng khí qm qua khe hở được tính như sau:
qm = . .A1 21p [kg/s]
Hay qm   . . A1

2p

1

[m3/s]

Trong đó:
:

Hệ số lưu lượng.

:

Hệ số giãn nở.

A1 [m2]:

Diện tích mặt cắt của khe hở.

p = p1 – p2: Độ chênh áp suất trước và sau khe hở.
1:

Khối lượng riêng của khơng khí.

21


1.2.2 Các định luật cơ bản của dịng chất khí
1.2.2.1 Định luật pascal
F=5k
g

Tác dụng lên
diện tích A=2cm2
diện tích bình =1.5cm2

Tạo ra áp suất

lực =37.500kgf

p=2.5kgf/cm2

Diện tích đáy =100cm2
lực =250kgf

Hình 1.12. Mơ tả định luật pascal

Áp suất trong chất lỏng kín có thể được xem là đồng nhất trong toàn bộ hệ
thống, thực tế có sự chênh lệch do áp lực cột nước ở những độ cao khác nhau.
Nhưng thường không đáng kể so với áp suất vận hành hệ thống, áp suất bằng
nhau này gọi là định luật pascal.
Trên (hình 1.13) với lực 5kgf tác dụng vào piston diện tích 2cm2, lực này
tạo ra áp suất 2.5kgf/cm2 tại mọi điểm trong chất lỏng và tác dụng lực bằng nhau
lên khắp diện tích vách hệ thống.
Lực tác dụng lên vách bình: F=P.A
Giả sử đáy bình bên trái có diện tích 100cm2, tổng lực tác dụng lên đáy
bình là 250kgf. Nếu diện tích đỉnh bình bên phải là 150.000cm2 thì lực hướng
lên trên bình bên phải rất lớn là 37500kgf.
Vì vậy, có thể dùng dịng chất lỏng kín để khuếch đại lực. Đối với khí nén
trong bình kín ở trạng thái ổn định có thể áp dụng tương tự.
1.2.2.2 Lưu lượng lưu chất
Hệ thống khí nén và thủy lực đều liên quan với dịng lưu chất đi qua ống.
Lưu lượng thường có 3 định nghĩa:
-Lưu lượng thể tích: được dùng để đo thể tích lưu chất đi qua một điểm
trong một đơn vị thời gian. Nếu chất lỏng là chất khí có thể nén được, nhiệt độ
và áp suất phải được định rõ hoặc lưu lượng được tiêu chuẩn hóa với nhiệt độ và áp
suất chuẩn. Lưu lượng thể tích là số đo thơng dụng trong điều khiển q trình.
- Lưu lượng khối: đo khối lượng lưu chất đi qua một điểm trong một đơn
vị thời gian.
22


- Lưu tốc (tốc độ lưu động): đo tốc độ thẳng qua một điểm đo. Lưu tốc là
đại lượng rất quan trọng khi thiết kế hệ thống thủy lực và khí nén.

Trên hình 1.4 minh họa các dạng lưu động của lưu chất, với vận tốc lưu
động đủ thấp, dòng chảy êm và thẳng với vận tốc thấp ở vách và cao nhất tại
tâm ống, trạng thái này được gọi là chảy tầng.

Chảy tầng

Chảy rối

Hình 1.13. Mơ phỏng dịng chảy môi chất

Khi vận tốc lưu động tăng lên, các cuộn xốy bắt đầu hình thành cho đến
khi vận tốc đủ lớn sẽ xuất hiện các dịng chảy rối hồn tồn, lúc này vận tốc lưu
động gần như đồng nhất qua mặt cắt ống, trạng thái này gọi là chảy rối.
1.2.2.3 Định luật chất khí
Trong thực tế, chất lỏng được dùng trong hệ thống thủy lực có thể được
xem là khơng nén được và không nhạy với sự thay đổi nhiệt độ. Trong khi đó
chất khí trong hệ thống khí nén rất nhạy với sự thay đổi nhiệt độ và áp suất,
được xác định bằng các định luật chất khí.
Trong các biểu thức này, áp suất được xem là áp suất tuyệt đối, nhiệt độ là
độ K, chẳng hạn nếu lấy một lít khơng khí ở áp suất khí quyển và 200C được nén
đến áp suất đo là 3at, nghĩa là áp suất đầu là 1at và nhiệt độ là 293K, áp suất
cuối là 4at (tuyệt đối).
Áp suất và thể tích quan hệ theo định luật Boyle (hình 1.15), với thể tích
khí V1 ở áp suất P1 được nén đến thể tích V2 kết quả áp suất sẽ tăng lên P2
P1.V1=P2.V2
23


V
1P 1

V
2P2

Hình 1.14. Mơ tả định luật Boyle

Nhiệt độ của chất khí được xem là khơng đổi trong suốt q trình nén. Sự
giảm áp suất sẽ dẫn đến tăng thể tích và ngược lại.
Trong thực tế, chất khí khi nén luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ và sự giảm
áp suất sẽ làm cho nhiệt độ giảm xuống. Nếu tăng nhiệt độ từ T1 đến T2 sẽ làm
áp suất tăng từ P1 đến P2 do đó.
P1/T1=P2/T2
Từ đó có thể suy ra biểu thức tổng quát:
P1 .V1 P2 .V2

T1
T2

Trong đó giá trị P1,V1,T1 là điều kiện đầu và P2,V2,T2 là điều kiện cuối.
1.3 Nhận dạng các thiết bị sử dụng khí nén
1.3.1 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 (xilanh)
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 tốn giống thủy lực.
Ví dụ:

Cơng suất: N = p.Q (khí nén)
24