Giáo trình công nghệ khí nén thủy lực ứng dụng (nghề công nghệ ô tô cao đẳng) 3

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VIỆT XƠ
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

GIÁO TRÌNH

Mơn học: Cơng nghệ khí nén - thuỷ
lực ứng dụng
NGHỀ: CƠNG NGHỆ Ơ TƠ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số: 979 QD-CĐVX-ĐT ngày 12 tháng 12 năm 2019
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện xây dựng Việt Xơ

Ninh Bình – Năm 2019


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: Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén và thủy lực
Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén
Chương 3: Hệ thống truyền động bằng thủy lực
Kiến thức trong giáo trình được biên soạn theo chương trình khung của
Tổng cục Dạy nghề, sắp xếp logic và cơ đọng. Do đó người đọc có thể hiểu
một cách dễ dàng các nội dung trong chương trình.
Ninh Bình, ngày ..... tháng ..... năm 2019


MỤC LỤC
ĐỀ MỤC

TRANG

Lời giới thiệu
Mục lục
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén và thủy
4
lực
Chương 2: Hệ thống truyền động bằng khí nén
11
Chương 3: Hệ thống truyền động bằng thủy lực
37
Tài liệu tham khảo

58


MƠN HỌC CƠNG NGHỆ KHÍ NÉN - THỦY LỰC ỨNG DỤNG
Mã số của mơn học: MH 13
I. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơn học:
- Vị trí:
Mơn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau: MH 14,
MH 15, MH 16, MĐ 18, MĐ 19
- Tính chất:
Là mơn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc.
- Ý nghĩa: giúp cho sinh viên có kiến thức cơ bản về thủy lực khí nén, góp phần
vào học các mơn chun mơn được tốt hơn, nâng cao hiệu quả học tập.
- Vai trị: mơn học trang bị cho sinh viên những khái niệm, kiến thức cơ bản về
thủy lực khí nén để ứng dụng vào các môn học chuyên môn, ứng dụng vào thực
tế.
II. Mục tiêu của mơn học:
+ Trình bày được đầy đủ các khái niệm, yêu cầu và các định luật truyền dẫn năng
lượng của hệ thống truyền động khí nén và thủy lực
+ Giải thích đầy đủ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động bằng
khí nén và thủy lực
+ Nhận dạng cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị truyền động bằng khí
nén và thủy lực
+ Tuân thủ đúng quy định, quy phạm về lĩnh vực thủy lực và khí nén
+ Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, tỉ mỉ


CHƯƠNG I:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

Mục tiêu:
- Trình bày được ưu nhược điểm và và phạm vi ứng dụng của truyền động khí nén và
truyền động thủy lực
- Biết được những đặc trưng của khí nén và thủy lực
- Trình bày được những thơng số cơ bản trong truyền động khí nén và truyền động
thủy lực.
Nội dung chính:
1. Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén
1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật 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 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…

1.2. Khả năng ứng dụng của kỹ thuật khí nén
1.2.1. Lĩnh vực điều khiển
Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa q trình
sản xuất phát triển mạnh mẽ. Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén phát triển rộng rãi và
đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở cộng hịa dân chủ Đức có tới 60
hãng chuyên sản xuât 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
mơi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén cịn
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 cơng nghiệp
hóa chất.
1.2.2. Lĩnh vực truyền động
- Các dụng cụ, thiết bị máy 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 khí nén
và một động cơ điện có cùng cơng 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 cơng
suất.
Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, cơng suất khoảng 3,5 kW, máy mài, công
suất khoảng 2,5 kW cũng như những máy mài với cơng suất nhỏ, nhưng với số vịng
quay cao khoảng 100.000 v/ph thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí

nén là phù hợp.
- Truyền động thẳng:
Vận 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:
1.3. Những đặc trưng cơ bản của khí nén
- Về số lượng: có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vơ hạn.
- Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với
một khoảng cách nhất định. Các đường ống dẫn về khơng cần thiết vì khí nén sau
khi sử dụng sẽ được cho thốt ra ngồi mơi trường sau khi đã thực hiện xong cơng
tác.
- Về lưu trữ: máy nén khí khơng nhất thiết phải hoạt động liên tục. Khí nén có
thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết.
- Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ.
- Về phịng chống cháy nổ: khơng một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên
khơng mất chi phí cho việc phịng chống cháy. Khơng khí nén thường hoạt động với
áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ khơng q phức tạp.
- Về Tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các
bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch, không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh.
Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm,
vải sợi, lâm sản và thuộc da.
- Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác.
- Về vận tốc: khí nén là một dịng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc
độ cao (vận tốc làm việc trong các xy - lanh thường từ 1 - 2 m/s).


- Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị cơng tác bằng khí
nén được điều chỉnh một cách vô cấp.
- Về sự quá tải: các cơng cụ và các thiết bị được khí nén đảm nhận tải trọng

cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xảy ra quá tải.
1.4. Ưu nhược điểm của truyền động khí nén
1.4.1. Ưu điểm
− Khơng u 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.
1.4.2. Nhược điểm
− 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 thoát ra ở đường ống dẫn gây tiếng ồn
1.5. Các thơng số cơ bản trong truyền động khí nén và thủy lực
1.5.1. 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
1.5.2. 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
1.5.3. 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 dòng chảy
A Tiết diện của dòng chảy
v Vận tốc trung bình của dịng chảy
1.5.4. Cơng và cơng suất
a. Công:
- Đơn vị của công 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.
b. 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 = W = 1 m2kg/s3
- Công suất được tính theo cơng thức:

1.5.5. Độ nhớt động
a. Khái niệm: Độ nhớt của chất lỏng là tính chất chống lại biến dạng trượt của các
lớp chất lỏng và là một trong những thơng số quan trọng trong tính tốn và thiết kế
các thiết bị thuỷ lực.
Khi chất lỏng chuyển động dọc theo thành rắn, do ma sát mà tốc độ của các lớp chất
lỏng trong dòng chẩy khác nhau, và kết quả là xuất hiện lực ma sát giữa các lớp chất
lỏng với nhau. Lực ma sát này (ứng suất tiếp) được tính theo định luật nội ma sát
của Newton:
b. Độ nhớt động
- Độ nhớt động của một chất là có độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lượng riêng 1
kg/cm3.


Trong đó:
 : độ nhớt động lực [Pa.s]
 : khối lượng riêng [kg/m3]
v: độ nhớt động [m2/s]
- Ngoài ra ta còn sử dụng đơn vị độ nhớt động là Stokes (St) hoặc là centiStokes
(cSt).
(1 cst = 0,01 st = 1 mm2/s)
2. Cơ sở lý thuyết của truyền động thủy lực:
2.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của kỹ thuật thủy lực:

- Năm 1920 đã ứng dụng vào trong lĩnh vực máy công cụ.
- Năm 1925 đã ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: Công nghiệp,
nơng nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, hàng không…
- Năm 1960 đến nay ứng dụng trong tự động hóa thiết bị và dây chuyền thiết bị
với trình độ cao, có khả năng điều khiển bằng máy tính hệ thống thủy lực với công
suất cao.
2.2. Ưu nhược điểm của truyền động bằng thuỷ lực:
a. Ưu điểm:
- Truyền động được công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản,
hoạt động với độ tin cậy cao nhưng địi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng).
- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, (dễ thực hiện tự động hoá theo
điều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn).
- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn khơng lệ thuộc nhau.
- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao.
- Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có
thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh (như trong cơ khí và điện).
- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu
chấp hành.
- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn.
- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch.
- Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu
chuẩn hoá.
b. Nhược điểm:
- Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và
hạn chế phạm vi sử dụng.
- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất
lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn.
- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi
do độ nhớt của chất lỏng thay đổi.
2.3. Những đặc trưng cơ bản của thủy lực:

a. Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng:
Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng
lý tưởng. Đây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi được


nạp vào thùng chỉ truyền áp lực vng góc với thành và đáy thùng (hình 3.3). Độ
lớn của áp suất phụ thuộc vào cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ điểm đo đến
mặt thoáng của chất lỏng:

p  gh

Với chất lỏng lý tưởng, không xuất hiện lực tiếp tuyến cũng như các ứng suất
tiếp tại thành thùng và giữa các lớp chất lỏng.
F

h

A

p

p
p

Hình 1.1. Phân bố áp suất trong
thùng chứa chất lỏng lý tưởng

Hình 1.2. Lực tác động lên
piston của một xy lanh thuỷ lực

Khi tính tốn các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản
thân của chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác động ngoài.
Áp suất tạo ra từ lực ngồi (hình 1.2) được xác định theo biểu thức:
p

F
A

Áp suất này có thể được tạo ra từ chuyển động gián đoạn của thiết bị ví dụ
như piston trong xy lanh hoặc chuyển động liên tục như trong bơm bánh răng, bơm
cánh quay,…
b. Phương trình liên tục
Dịng chảy dừng của chất lỏng lý tưởng thoả mãn định luật bảo toàn khối
lượng: Lưu khối m 1 chảy qua mặt cắt A1 luôn bằng với lưu khối m 2 chảy qua mặt cắt
A2. Đối với chất lỏng có khối lượng riêng khơng đổi định luật này đúng cho cả
trường hợp chảy khơng dừng.

Hình 1.3. Dòng chảy qua ống thu hẹp


Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt đường ống trong một
đơn vị thời gian được xác định theo:
  Av
m
Tương ứng hình 1.3 thỏa mãn:
1 A1 v1   2 A 2 v 2
Đối với chất lỏng có khối lượng riêng khơng đổi

A 1 v1  A 2 v 2

c. Phương trình Bernoulli
Phương trình Bernoulli xuất phát từ giả thiết rằng năng lượng của một chất
lỏng chảy dừng không ma sát trên mọi điểm của mặt cắt ngang tại mọi thời điểm là
khơng đổi. Phương trình này thoả mãn trong trường hợp riêng của dòng chảy một
chiều, và cũng biểu diễn trường hợp đặc biệt của hệ phương trình vi phân NavierStocke xây dựng cho trường hợp tổng quát cho dòng chảy 3 chiều. Mặc dù vậy cũng
có thể ứng dụng đủ chính xác làm cơ sở tính tốn trong lĩnh vực thuỷ lực dầu. Năng
lượng tại một điểm xác định trên đường dòng của một dòng chảy chất lỏng lý tưởng
bao gồm động năng dòng chảy, áp năng của chất lỏng và thế năng.

Hình 1.4. Dịng chảy qua hai mặt cắt khác nhau
Hình 1.4 trình bày sơ đồ dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau. Phương trình
Bernoulli viết cho trường hợp này như sau:
p1 

1 v12
 v2
 1gh 1  p 2  2 2   2 gh 2
2
2

Đối với chất lỏng không chịu nén:
v12
v 22
p1 
 gh 1  p 2 
 gh 2
2
2

Hoặc tổng quát:

p

v 2
 gh  const
2


Thế năng vị trí của chất lỏng hầu như trong tất cả các trường hợp ứng dụng
của kỹ thuật thuỷ lực thường được bỏ qua do có giá trị quá nhỏ so với động năng và
áp năng. Như vậy phương trình Bernoulli trong kỹ thuật thuỷ lực có thể viết :
p

v 2
 const
2

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN
Mã số của chương 1: MH 13 - 01
Mục tiêu:
- Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống truyền động khí
nén
- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động các máy nén khí,mơ tơ khí nén, xi
lanh khí nén.
- Trình bày được các loại van trong hệ thống điều khiển khí nén và sơ đồ các mạch
lôgic.
Nội dung:
1.Khái nệm về truyền động khí nén:
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.
1.2. Sơ đồ hệ thống truyền động khí nén:
Một hệ thống điều khiển thường bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển gồm
có các phần tử được mô tả như sau:

Phần tử đưa tín hiệu

Cơ cấu chấp hành
Phần tử đưa tín hiệu

Phần tử xử lý tín hiệu

Phần tử điều khiển

Phần tử đưa tín hiệu

Hình 2.1.Sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén


2. Máy nén khí và thiết bị xử lý 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.
2.1. Máy nén khí
2.1.1. Nhiệm vụ và phân loại máy nén khí:
a. Nhiệm vụ:
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. Phân loại:
- Theo áp suất:

* Máy nén khí có áp suất thấp
p  15 bar.
* Máy nén khí có áp suất cao
p  15 bar.
* Máy nén khí có 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 pít tơng, máy nén khí kiểu cánh gạt, máy nén khí kiểu root,
máy nén khí kiểu trục.
* Máy nén khí tua - bin: được dùng cho công suất rất lớn và không kinh tế khi
sử dụng lưu lượng dưới mức 600 m3/phút. Vì thế nó khơng mang lại áp suất cần
thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng.
2.1.2. Máy nén kiểu piston
Máy nén piston (hình 2.2) là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất
đến 500 m3/phút. Máy nén 1 piston có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ có thể
đến 10 bar; máy nén kiểu piston hai cấp có thể nén đến 15 bar; 3-4 cấp lên đến 250
bar.

Hình 2.2. Máy nén khí kiểu piston


2.1.3.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 roto: roto chính 2 và rơ to phụ 1, (hình 2.3).
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 rơ to khác nhau sẽ cho hiệu suất cao hơn.

Hình 2.3. Cấu tạo máy nén khí kiểu trục vít

Hình 2.4. Quá trình hút, nén và đẩy của máy nén trục vít


2.1.4.Máy nén kiểu cánh gạt:
Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu cánh gạt mơ tả ở hình 2.5: khơng khí sẽ
được vào buồng hút. Nhờ rơto và stato đặt lệch tâm, nên khi rơto quay chiều sang
phải, thì khơng khí vào buồng nén. Sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy.
Hình 2.5. Máy nén khí kiểu cánh gạt

2.1.5. Máy nén khí kiểu Root.
Máy nén khí kiểu root gồm có hai hay ba cánh quạt (pít tơng có dạng hình số
8). Các pít tơng đó được quay đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy và
trong q trình quay khơng tiếp xúc với nhau. Nhờ vậy khả năng hút của máy phụ
thuộc vào khe hở giữa hai pít tơng, khe hở giữa phần quay và thân máy.
Máy nén khí kiểu root tạo ra áp suất khơng phải theo ngun lý thay đổi thể
tích mà có thể gọi là sự nén từ dịng phía sau. Điều đó có nghĩa là: khi rơ to quay
được một vịng thì vẫn chưa tạo được áp suất trong buồng đẩy, cho đến khi rơ to
quay tiếp đến vịng thứ hai thì dịng lưu lượng đó đẩy vào dịng thứ hai, với ngun
tắc này thì tiếng ồn sẽ tăng lên.
Buồng hút
R
a

b

r

Buồng đẩy

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu root


2.2. Thiết bị xử lý khí nén:
2.2.1.Yêu cầu khí nén:
Khí nén được tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng rất nhiều chất bẩn theo
từng mức độ khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, hơi nước trong khơng khí, những
phần tử nhỏ, cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Khí nén khi mang chất
bẩn tải đi trong những ống dẫn khí sẽ gây nên sự ăn mòn, rỉ sét trong ống và trong
các phần tử của hệ thống điều khiển. Vì vậy, khí nén được sử dụng trong hệ thống
khí nén phải được xử lý. Tùy thuộc vào phạm vi sử dụng mà xác định yêu cầu chất
lượng của khí nén tương ứng cho từng trường hợp cụ thể.
Hệ thống xử lý khí nén được phân thành 3 giai đoạn :
- Lọc thô: dùng bộ phận lọc bụi thơ kết hợp với bình ngưng tụ để tách hơi nước.
- Phương pháp sấy khô: dùng thiết bị sấy khơ khí nén để lọai bỏ hầu hết lượng nước
lẫn bên trong. Giai đoạn này xử lý tùy theo yêu cầu sử dụng của khí nén.
- Lọc tinh: lọai bỏ tất cả các lọai tạp chất, kể cả kích thước rất nhỏ.
2.2.2. Bộ lọc khí:

Hình 2.7. Bộ lọc khí
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, những cặn bả
của dầu bơi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa trong q trình nén nhiệt độ của
khí nén tăng lên, có thể gây ra ơ xy 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 2.7).
Van lọc khí (hình 2.8) 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 2.8. Van lọc khí nén
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 2.9).

2.2.3. Xử lý hơi nước:

Hình 2.9. Van dầu


Trong những lãnh vực địi hỏi chất lượng khí nén cao, hệ thống xử lý khí nén
được phân ra làm 3 giai đoạn:
a/ Lọc thơ:
Khí nén được làm mát tạm thời khi từ trong máy nén khí ra để tách chất bẩn.
Sau đó khí nén được đưa vào bình ngưng tụ để tách hơi nước. Giai đoạn lọc thô là
giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lý khí nén.
b/ Phương pháp sấy khơ:
- Bình ngưng tụ làm lạnh bằng khơng khí:
Khí nén được dẫn vào bình ngưng tụ. Tại đây khí nén sẽ được làm lạnh và
phần lớn lượng hơi nước chứa trong khơng khí sẽ được ngưng tụ và tách ra.
Làm lạnh bằng khơng khí, nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được
trong khoảng từ 300C đến 350C. Làm lạnh bằng nước (nước làm lạnh có nhiệt độ là
100C) thì nhiệt độ khí nén trong bình ngưng tụ sẽ đạt được là 200C.

1
7
2
3
4

6

5

Bình ngưng tụ:
1/.Van an toàn.
2/. Hệ thống ống dẫn nước làm lạnh.
3/. Đường nước làm lạnh vào
4/. Khí nén sau khí được làm lạnh.
5/. Tách nước chứa trong khí nén.
6/. Nước làm lạnh đi ra.
7/. Khí nén được dẫn vào.

Hình 2.10. Ngun lý hoạt động của bình ngưng tụ bằng nước.
- Thiết bị sấy khô bằng chất làm lạnh
Nguyên lý của phương pháp sấy khơ bằng chất làm lạnh là: khí nén đi qua bộ phận
trao đổi nhiệt khí – khí. Tại đây, dịng khí nén vào sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng
dịng khí nén đã được sấy khơ và xử lý từ bộ ngưng tụ đi lên.
Sau khi được làm lạnh sơ bộ, dịng khí nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí –
chất làm lạnh. Q trình làm lạnh sẽ được thực hiện bằng cách cho dịng khí nén
chuyển động đảo chiều trong những ống dẫn. Nhiệt độ hóa sương tại đây là 2 0C.
Như vậy lượng hơi nước trong dịng khí nén vào sẽ được ngưng tụ.
Dầu, nước, chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dịng khí nén sẽ được đưa ra

ngồi qua van thốt nước ngưng tụ tự động (4). Dịng khí nén được làm sạch và còn
lạnh sẽ được đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt (1), để nâng nhiệt độ lên khoảng từ 6 0C
đến 80C, trước khi đưa vào sử dụng.


Chu kỳ hoạt động của chất làm lạnh được thực hiện bằng máy nén để phát
chất làm lạnh (5). Sau khi chất làm lạnh được nén qua máy nén, nhiệt độ sẽ tăng lên,
bình ngưng tụ (6) sẽ có tác dụng làm nguội chất làm lạnh đó bằng quạt gió. Van
điều chỉnh lưu lượng (8) và rơle điều chỉnh nhiệt độ (7) có nhiệm vụ điều chỉnh
dịng lưu lượng chất làm lạnh hoạt động trong khi có tải, khơng tải và hơi q nhiệt.

1

1/ Bộ phận trao đổi nhiệt Khí - khí
2/. Bộ phận trao đổi nhiệt Khí - Chất làm lạnh
3/. Bộ phận kết tủa
4/. Van thoát nước ngưng tụ tự động
5/. Máy nén của bộ phận làm lạnh
6/. Bình ngưng tụ
7/. Rơ le điều chỉnh nhiệt độ
8/. Van điều chỉnh lưu lượng chất làm lạnh

2
8
7
3
4

6

5

Hình 2.11. Sấy khơ bằng chất làm lạnh.
- Thiệt bị sấy khô bằng hấp thụ:
* Qúa trình vật lý:
Chất sấy khơ hay gọi là chất háo nước sẽ hấp thụ lượng hơi nước ở trong khơng khí
ẩm. Thiết bị gồm 2 bình. Bình thứ nhất chứa chất sấy khơ và thực hiện q trình hút
ẩm. Bình thứ hai tái tạo lại khả năng hấp thụ của chất sấy khô. Chất sấy khô thường
được sử dụng : silicagen SiO2, nhiệt độ điểm sương –500C; tái tạo từ 1200C đến
1800C.
Quá trình sấy khô
Khí nén từ
máy nén ra

Khí nén được sấy khô

Quá trình tái tạo
Khí nóng bão hòa

Chất sấy khô
Khí nóng

Hình 2.12. Sấy khơ bằng hấp thụ
* Q trình hóa học:
Thiết bị gồm 1 bình chứa chất hấp thụ (thường dùng là NaCl). Khơng khí ẩm được đưa
vào cửa (1) đi qua chất hấp thụ (2). Lượng hơi nước trong khơng khí kết hợp với
chất hấp thụ tạo thành giọt nước lắng xuống đáy bình. Phần nước ngưng tụ được dẫn
ra ngồi bằng van (5). Phần khơng khí khơ sẽ theo cửa (4) vào hệ thống.

3

2

4

1

5

Hình 2.13. Sấy khơ bằng hóa chất.
3. Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén:
3.1. Khái niệm:
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 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

3.2. Van đảo chiều:
3.2.1. Nhiệm vụ, phân loại van đảo chiều:
a. Nhiệm vụ:
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dịng năng lượng bằng cách đóng, mở
hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dịng năng lượng.

b. Phân loại:
* Căn cứ vào số cửa và số vị trí:


Một số van đảo chiều thường gặp:

Hình 2.14. Các loại van đảo chiều
* Căn cứ theo tín hiệu tác động:
Nếu ký hiệu lị xo nằm ngay phía bên phải của ký hiệu của van đảo chiều, thì van
đảo chiều đó có vị trí "0". Điều đó có nghĩa là chừng nào chưa có tác dụng vào nịng
van, thì lị xo tác động giữ vị trí đó.
Tác đơng phía đối diện của van, ví dụ: tín hiệu tác động bằng cơ, bằng khí nén hay
bằng điện giữ ơ vng phía trái của van và được ký hiệu "1'.
. Tín hiệu tác động bằng tay


Tín hiệu tác động bằng cơ

Tín hiệu tác động bằng khí nén

Tín hiệu tác động bằng nam châm điện


3.2.2.Ký hiệu và cách đọc bản vẽ van đảo chiều:
Chuyển đổi vị trí của nịng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau với
các chữ cái 0, a, b, c, ... hay các số 0, 1, 2, ...

Vị trí "0" được ký hiệu là vị trí, mà khi van chưa có tác động của tín hiệu ngồi vào.
Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí giữa là vị trí "0", cịn đối với van có 2 vị trí, thì vị trí
"0" có thể là a hoặc b, thường vị trí b là vị trí "0".

Cửa nối van được ký hiệu như sau:
Theo t/c ISO5599
Theo t/c ISO1219
Cửa nối với nguồn khí
1
P
Cửa nối làm việc
2, 4, 6, ...
A, B, C, ...
Cửa xả khí
3, 5, 7, ...
R, S, T, ...
Cửa nối với tín hiệu điều khiển 12, 14, ...
X, Y, ...
Bên trong ơ vng của mỗi vị trí là các đường thẳng có hình mũi tên, biểu diễn
hướng chuyển động của dịng khí qua van. Trường hợp dịng bị chặn, được biểu
diễn bằng dấu gạch ngang.

Hình 2.15. Ký hiệu các cửa của van đảo chiều
3.2.3. Hoạt động của van đảo chiều:
a. Loại van trượt (ngăn kéo) 3/2:
Khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với
cửa (3). Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12) (khí nén), lúc này nịng van sẽ dịch
chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn.
Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tạc dụng của lực lò xo, nòng
van trở về vị trí ban đầu.


Hình 2.16. Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều
b. Loại van xoay 4/3:

Ký hiệu

P
A

a

B
c

R

A

B

P

R

b

P
A

c

a,b,c

B
R

b

a

Hình 2.17. Ngun lý hoạt động của van xoay đảo chiều
Tín hiệu tác động bằng tay, được ký hiệu như trên.
Nếu vị trí xoay nằm tại vị trí a, thì cửa P nối với cửa A và cửa B nối với R. Vị trí
xoay nằm tại vị trí b, thì các cửa nối A, B, P, R đều bị chặn. Vị trí xoay nằm tại vị trí
c, thì cửa P nối với B và cửa A nối cửa R.


3.3. Các loại van trong hệ thống điều khiển khí nén:
3.3.1. Van chặn:
Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều, chiều ngược lại bị
chặn. Van chặn gồm các loại sau:
- Van một chiều
- Van logic OR
- Van logic AND
- Van xả khí nhanh.
a. Van một chiều
Van một chiều có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí nén đi qua một chiều, chiều
ngược lại bị chặn. Nguyên lý hoạt động và ký hiệu van một chiều, dòng khí nén
đi từ P qua A, chiều từ A qua P bị chặn.
Ký hiệu
1

P

A

P

0

A

b. Van logic OR
Van logic OR có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau
trong hệ thống điều khiển.
Nguyên lý hoạt động và ký hiệu van logic OR như sau: Khi có dòng khí nén
qua cửa P1 sẽ đẩy pít – tông trụ của van sang vị trí bên phải chắn cửa P2, như vậy
cửa P1 nối với cửa A. Khi có dòng khí nén qua cửa P2 sẽ đẩy pít – tông trụ của
van sang vị trí bên trái chắn cửa P1, như vậy cửa P2 nối với cửa A.
A

Ký hiệu
A
P1

P1

P2

P2

c. Van logic AND
Van logic AND có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển cùng một lúc ở những vị

trí khác nhau trong hệ thống điều khiển.
Khi dịng khí qua P1 P1 bị chặn. Ngược lại dịng khí qua P2  P2 bị chặn. Nếu
dịng khí đồng thời qua P1, P2  cửa A sẽ nhận được tín hiệu  khí qua A.