Lý thuyết cơ bản về khí nén

Peter Croser, Frank Ebel

Khớ neựn
Giaựo trỡnh trỡnh ủoọ cụ baỷn























2
Mục lục

Số đặt hàng: 093131
Miêu tả: PNEUM.GS.LEHRB
Mã hàng: D.LB-TP101-1-GB
Xuất bản: 07/1999
Trình bầy: B. Huber
Đồ họa: D. Schwarzenberger, T. Ocker
Tác giả : P. Croser, F. Ebel
Biên dòch: Nguyễn Văn Minh, Provina Hanoi

© Bản quyền Festo Didactic GmbH & Co., D-73770 Denkendorf 2000
Sao chép, phân phối và sử dụng tài liệu này cũng như liên hệ nội dung
của tài liệu này sang tài liệu khác không được sự đồng ý của tác giả bò
ngăn cấm. Người sai phạm sẽ phải chòu hoàn toàn trách nhiệm pháp lý
về bồi thường thiệt hại. Bản quyền đã được đăng ký, đặc biệt quyền về
các quy đònh liên quan đến bằng phát minh, thiết kế và kiểu dáng.
Một phần của giáo trình này có thể nhân bản đơn lẻ cho mục đích đào
tạo bởi những người được uỷ quyền về vấn đề này.

Festo Didactic
•
TP101

3
Mục lục


Những chú ý về trình bầy của giáo trình 8



Chương A: Giáo trình

Phần 1 – Đặc điểm và những ứng dụng của khí nén 11
1.1 Ôn tập về khí nén 12
1.2 Khí nén và thiết kế hệ thống điều khiển 18
1.3 Cấu trúc và dòng tín hiệu của hệ thống khí nén 19

Phần 2 – Phần tử của hệ thống khí nén 23
2.1 Máy nén khí và phân phối 24
2.2 Van khí nén 27
2.3 Phần tử xử lý 33
2.4 Thiết bò động lực 34
2.5 Hệ thống 35

Chương 3 – Ký hiệu và tiêu chuẩn trong công nghệ khí nén 39
3.1 Ký hiệu và mô tả phân tử 40
3.2 Yêu cầu an toàn cho hệ thống khí nén 51

Festo Didactic
•
TP101

4
Nội dung
Chương 4 – Phương pháp thiết kế
mạch khí nén 55
4.1 Thiết kế mạch khí nén 56
4.2 Chuỗi điều khiển 57
4.3 Trình bày mạch khí nén 60
4.4 Bố trí mạch 61
4.5 Sự lựa chọn các phần tử riêng biệt 62
4.6 Vòng chu kỳ mạch khí nén 63

Chương 5 – Thiết kế mạch điều khiển cơ cấu chấp hành đơn 67
5.1 Điều khiển trực tiếp xy lanh khí nén 68
5.2 Ví dụ 1: Điều khiển trực tiếp xy lanh tác dụng đơn 68
5.3 Bài tập 1: Điều khiển trực tiếp xy lanh tác dụng kép 70
5.4 Điều khiển gián tiếp xy lanh 72
5.5 Ví dụ 2: Điều khiển gián tiếp xy lanh tác dụng đơn 72
5.6 Bài tập 2: Điều khiển gián tiếp xy lanh tác dụng kép 74
5.7 Chức năng lô gic: AND (VÀ), OR (HOẶC) 76
5.8 Ví dụ 3: Chức năng lô gic: AND 76
5.9 Bài tập 3: Chức năng lô gic: AND 79

5.10 Ví dụ 4: Chức năng lô gic: OR 81
5.11 Bài tập 4: Chức năng lô gic: OR 83
5.12 Ví dụ 5: Mạch nhớ và điều khiển tốc độ xy lanh 85
5.13 Bài tập 5: Mạch nhớ và điều khiển tốc độ xy lanh 88
5.14 Bài tập 6: Van xả nhanh 90
5.15 Ví dụ 6: Điều khiển phụ thuộc áp suất 92
5.16 Bài tập 7: Điều khiển phụ thuộc áp suất 94
5.17 Ví dụ 7: Van rơ le thời gian 96
5.18 Bài tập 8: Van rơ le thời gian 99

Festo Didactic
•
TP101

5
Mục lục

Chương 6 – Phát triển mạch khí nén nhiều cơ cấu chấp hành 101
6.1 Điều khiển nhiều cơ cấu chấp hành 102
6.2 Ví dụ 8: Chuyển động phối hợp 102
6.3 Ví dụ 9: Sự trùng tín hiệu 107
6.4 Khử trùng tín hiệu bằng van đảo chiều 109
6.5 Ví dụ 10: Van đảo chiều 109
6.6 Ví dụ 11: Van đảo chiều 112

Chương 7 – Sửa lỗi của hệ khí nén 115
7.1 Tài liệu 116
7.2 Nguyên nhân và hiệu ứng của sự trục trặc 116
7.3 Bảo trì 120

Phần B: Lý thuyết

Chương 1 – Cơ sở lý thuyết về khí nén 123
1.1 Nguyên tắc vật lý cơ bản 124
1.2 Đặïc tính của không khí 126

Chương 2 – Máy nén khí và vận chuyển khí nén 129
2.1 Chuẩn bò không khí 130
2.2 Máy nén khí 131
2.3 Bình tích 134
2.4 Sấy khô khí nén 136
2.5 Phân phối khí nén 141
2.6 Bộ xử lý nguồn khí nén 144


Festo Didactic
•
TP101

6
Nội dung
Chương 3 – Cơ cấu chấp hành và thiết bò đầu ra 155
3.1 Xy lanh tác dụng đơn 156
3.2 Xy lanh tác dụng kép 158
3.3 Xy lanh không trục 164
3.4 Cấu trúc xy lanh 167
3.5 Đặc điểm hiệu suất của xy lanh 170
3.6 Động cơ 176
3.7 Chỉ thò 178

Chương 4 – Van điều khiển hướùng 179
4.1 Cấu hình và cấu trúc 180
4.2 Van 2/2 181
4.3 Van 3/2 181
4.4 Van 4/2 193
4.5 Van 4/3 195
4.6 Van 5/2 197
4.7 Van 5/3 200
4.8 Giá trò lưu lượng của van 201
4.9 Độ tin cậy vận hành của van 202

Chương 5 – Van một chiều, Van lưu lượng và Van áp suất, Van tổ
hợp 203
5.1 Van một chiều 204
5.2 Van lưu lượng 211
5.3 Van áp suất 216
5.4 Van tổ hợp 218

Festo Didactic
•
TP101

7
Mục lục


Chương 6 – Hệ thống 223
6.1 Lựa chọn, so sánh sự hoạt động và môi trường điều khiển 224
6.2 Lý thuyết điều khiển 227
6.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 231

6.4 Thiết kế tương quan 240
6.5 Thiết bò đặc biệt và lắp ráp 241

Phần C: Bài giải

Bài giải 245
Danh sách tiêu chuẩn 264
Danh sách tham khảo 265
Danh mục 267
Những đại lượng vật lý và đơn vò 274













Festo Didactic
•
TP101

8
Nội dung
Ghi chú về trình bầy của tài liệu

Giáo trình này là một phần của hệ thống đào tạo của Hãng FESTO
DIDACTIC về tự động hoá và thông tin. Nó được thiết kế cho các khoá
đào tạo và cũng phù hợp cho mục đích tự học.
Cuốn sách này được chia thành các phần sau:
Phần A: Đào tạo
Phần B: Lý thuyết
Phần C: Bài giải các ví dụ

Phần A: Đào tạo
Khoá học này cung cấp các thông tin cần thiết cho chủ đề liên quan đến
việc sử dụng trong bài tập và ví dụ, nó phải được thực hiện theo trình tự.
Chủ đề được phân chia với chuyên sâu trong phần lý thuyết được đánh
dấu trong phần chữ.

Phần B: Lý thuyết
Phần này bao gồm thông tin chi tiết về các cơ sở lý thuyết. Các chủ đề
được sắp đặt theo khía cạnh lô gíc. Sinh viên có thể thực hiện qua phần
này theo từng chương hoặc sử dụng nó cho mục đích tham khảo.

Phần C: Bài giải các ví dụ
Phần này bao gồm các lời giải cho các bài tập trong phần A.
Danh mục toàn diện được thực hiện ở cuối mỗi giáo trình
.
Tư tưởng của giáo trình này là trợ giúp đào tạo trong giải pháp phân loại
chuyên môn trong cấu trúc trong nghề nghiệp cơ khí và điện kỹ thuật.
Trong trường hợp ngoại lệ thật sự là sinh viên được quyền lựa chọn chủ
đề liên quan để thực hiện qua các chương một cách độc lập.
Cuốn sách này có thể kết hợp với chương trình đào tạo hiện hành.

Festo Didactic
•
TP101

9
PhÇn A


PhÇn A

Kho¸ häc

Festo Didactic
•
TP101

10
PhÇn A

Festo Didactic
•
TP101

11
Chơng A-1

Chơng 1

Các đặc tính và
ứng dụng của khí nén


Festo Didactic

TP101

12
Chơng A-1
1.1 Tổng quan về khí nén
Khí nén đã từ lâu đóng vai trò quan trọng nh công nghệ nâng cao hiệu
suất của công việc cơ khí. Nó cũng đợc sử dụng trong sự phát triển các
giải pháp tự động hoá.
Trong đa số các ứng dụng, khí nén đợc sử dụng cho một hoặc nhiều
chức năng sau đây:
Xác định trạng thái của quá trình (các cảm biến)
Thông tin quá trình (bộ xử lý)
Chuyển mạch các cơ cấu chấp hành thông qua các phần tử điều
khiển cuối cùng
Thực hiện công việc (các cơ cấu chấp hành).

Để có thể điều khiển máy và lắp đặt, đòi hỏi cấu trúc có quan hệ lôgic
phức tạp nói chung của các trạng thái và các điều kiện chuyển mạch.
Điều này xảy ra nh kết quả các ảnh hởng của các cảm biến, bộ xử lý,
các phần tử điều khiển và các cơ cấu chấp hành trong khí nén hoặc một
phần của các hệ thống khí nén.

Qui trình công nghệ đã tạo ra vật liệu, thiết kế và quá trình sản xuất
đợc cải thiện về chất lợng nhiều hơn và phong phú hơn của các phần
tử khí nén, bởi vậy có nhiều đóng góp cho sử dụng rộng rãi phần tử khí
nén trong tự động hoá.

Xy lanh khí nén có vai trò quan trọng nh một đơn vị truyền động tịnh
tiến, bởi vì nó có:
Chi phí tơng đối rẻ,
dễ dàng lắp đặt,
cấu trúc đơn giản và chắc chắn và
sẵn sàng cung cấp các kích thớc và chiều dài hành trình khác nhau

Xy lanh khí nén có các tính năng sau:
Đờng kính 2,5 đến 320mm
Chiều dài hành trình 1 đến 2000mm
Các giá trị lực có thể 2 đến 45000N ở áp suất 6 bar
Tốc độ piston 0,1 đến 1.5 m/giây


Festo Didactic

TP101

13
Chơng A-1



Hình. 1.1
Xy lanh tác dụng đơn

Các thiết bị khí nén có thể thực hiện các kiểu chuyển động sau đây:
Thẳng
Xoay
Quay

Một vài ứng dụng trong công nghiệp sử dụng khí nén đợc liệt kê dới
đây:
Các phơng pháp sử dụng với vật liệu nói chung:
Kẹp
Dịch chuyển
Định vị trí
Định hớng
Phân nhánh dòng vật liệu
Các ứng dụng nói chung:
Đóng gói
Rót chất lỏng
Đo lờng
Khoá hãm
Dẫn động các trục
Điều khiển trợt hoặc điều khiển cửa ra vào
Chuyển dời vật liệu
Quay và đảo ngợc các bộ phận
Phân loại các chi tiết
Sắp xếp các linh kiện
Đập ép và chạm nổi các bộ phận

Festo Didactic

TP101

14
Chơng A-1

Hình1.2
ĐIểm chuyển đổi cho 2
băng chuyền


Hình1.3
Máy cắt dùng khí nén


Khí nén đợc sử dụng để thực hiện hoạt động gia công và làm việc.
Ví dụ:
Khoan
Tiện
Mài
Ca
Hoàn thiện
Định dạng
Điều khiển chất lợng
Festo Didactic

TP101

15
Chơng A-1
Ưu điểm và đặc điểm tiêu biểu của khí nén:

Khả năng Không khí có sẵn ở mọi nơi với số lợng không giới hạn.
Vận chuyển Khí nén có thể dễ dàng vận chuyển trong đờng ống, thậm chí với
khoảng cách lớn.
Tích trữ Khí nén có thể lu giữ trong bình tích khí và vận chuyển theo yêu cầu.
Hơn nữa, bình tích khí có thể di chuyển đợc.
Nhiệt độ Khí nén tơng đối không nhạy cảm với sự dao động của nhiệt độ. Điều
này đảm bảo sự hoạt động tin cậy thậm chí trong các điều kiện vô cùng
khắc nghiệt.
Chống cháy
nổ
Khí nén không có yêu cầu nguy hiểm về nổ và cháy.
Sạch sẽ Khí xả không có dầu bôi trơn rất sạch. Khí nén không bôi trơn khi ra
khỏi đờng ống hoặc các thiết bị không gây ra sự ô nhiễm khi quyển.
Phần tử Các phần tử công tác có cấu trúc đơn giản và bởi vậy tơng đối rẻ.
Tốc độ Khí nén làm việc rất nhanh. Điều này cho phép đạt đợc tốc độ làm
việc cao.
An toàn quá
tải
Công cụ khí nén và các phần tử công tác có thể bị gia tải tại các điểm
dừng bởi vậy có an toàn quá tải tốt.
T 1.1
Ưu điểm và đặc điểm tiêu
biểu của khí nén

Festo Didactic

TP101

16
Chơng A-1

Để xác định chính xác phạm vi của ứng dụng khí nén, cũng cần thiết
phải làm quen với các đặc điểm tiêu cực:

Chuẩn bị Khí nén yêu cầu sự chuẩn bị tốt. Bụi và các chất ngng tụ không nên
có mặt nhiều trong khí nén.
Sự nén Không phảI lúc nào cũng đạt đợc tốc độ piston đồng nhất và không
thay đổi với khí nén
Yêu cầu về
lực
Khí nén chỉ kinh tế với một giá trị lực yêu cầu nào đó. ở điều kiện làm
việc bình thờng, áp suất công tác từ 600 đến 700 kPa (6 đến 7 bar) và
phụ thuộc vào dịch chuyển và tốc độ, giới hạn lực đầu ra khoảng 40000
N và 50000 N
Mức độ ồn Khí xả gây ồn. Vấn đề này còn tồn tại, tuy nhiên nó đợc giải quyết khá
rộng rãi bằng sự phát triển của vật liệu giảm âm và tiêu âm.
T 1.2
Nhợc điểm của khí nén

So sánh với các hình thức khác của năng lợng là một phần cần thiết
trong việc lựa chọn phơng pháp, khi ta thấy rằng khí nén nh một phần
điều khiển hoặc môi trờng làm việc. Sự đánh giá này bao quát toàn bộ
hệ thống từ tín hiệu vào (các cảm biến) thông qua phần điều khiển (bộ
xử lý) đến các bộ điều khiển và thiết bị điều khiển. Tất cả các hệ số phải
đợc suy nghĩ cụ thể:
Phơng pháp điều khiển phù hợp.
Các nguồn cung cấp có sẵn.
Khả năng chuyên môn.
Các hệ thống cài đặt hiện thời đợc tích hợp với kế hoạch mới.

Festo Didactic

TP101

17
Chơng A-1

Lựa chọn môi trờng làm việc:
Tiêu chuẩn cho môi
trờng làm việc
Dòng điện (điện)
Chất lỏng (thuỷ lực)
Khí nén (khí lực)
Kết hợp các phần trên.

Tiêu chuẩn lựa chọn cho phần làm việc:
Lực
Hành trình
Kiểu của truyền động (thẳng, xoay, quay)
Tốc độ
Thời hạn sử dụng
An toàn và tin cậy
Chi phí năng lợng
Khả năng điều khiển
Lu giữ.

Lựa chọn môi trờng điều khiển
Tiêu chuẩn cho môi
trờng điều khiển
Kết nối máy móc (cơ học)
Dòng điện (điện, điện tử)

Chất lỏng (thuỷ lực)
Khí nén (khí áp lực, dòng khí áp suất thấp)

Tiêu chuẩn lựa chọn cho phần điều khiển:
Độ tin cậy của các thiết bị
Độ nhạy với ảnh hởng môi trờng
Dễ dàng bảo dỡng và sửa chữa
Thời gian chuyển mạch của các bộ phận
Tốc độ tín hiệu
Tuổi thọ
Thay đổi của hệ thống điều khiển
Yêu cầu đào tạo cho ngời điều khiển và ngời bảo dỡng

Festo Didactic

TP101

18
Chơng A-1
1.2. Phát triển khí nén và hệ thống điều khiển
Phát triển sản phẩm khí nén có thể đợc xem xét trong một số phạm vi:
Các bộ khởi động
Các cảm biến và thiết bị đầu vào
Các bộ xử lý
Các phụ tùng
Các hệ thống điều khiển

Các yếu tố sau phải đợc tính đến trong sự phát triển các hệ thống khí
nén:
Độ tin cậy

Dễ dàng bảo dỡng
Chi phí cho phụ tùng thay thế
Các chi phí cho bảo dỡng và sửa chữa
Khả năng thay đổi và khả năng thích nghi
Thiết kế nhỏ gọn
Hiệu quả kinh tế
Tài liệu.


Festo Didactic

TP101

19
Chơng A-1
1.3 Cấu trúc và dòng lu thông tín hiệu của hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén bao gồm các kết nối bên trong của các nhóm thiết bị
khác nhau.


Hình1.4
Dòng lu thông tín hiệu

Nhóm các thiết bị này hình thành một đờng điều khiển cho dòng lu
thông tín hiệu, bắt đầu từ phần tín hiệu (đầu vào) đi tới phần chấp hành
(đầu ra).
Các phần tử điều khiển điều khiển các cơ cấu chấp hành phù hợp với
những tín hiệu nhận đợc từ các thiết bị xử lý.
Các mức khởi đầu trong một hệ thống điều khiển là:
Năng lợng cung cấp

Thiết bị đầu vào (các cảm biến)
Thiết bị xử lý (các bộ xử lý)
Thiết bị điều khiển
Các bộ phận năng lợng (các bộ truyền động).

Festo Didactic

TP101

20
Chơng A-1
Các thiết bị trong hệ thống đợc thể hiện bởi các ký hiệu chỉ rõ chức
năng của các thiết bị.


Hình1.5
Hệ thống điều khiển khí nén

Festo Didactic

TP101

21
Chơng A-1
Một van điều khiển hớng có thể đợc sử dụng nh một đầu vào, một
thiết bị xử lý hoặc điều khiển. Đặc điểm tiêu biểu cho việc xác định rõ
từng bộ phận tới từng nhóm thiết bị riêng rẽ là cấu hình trong phạm vi
một hệ thống điều khiển.

Hình1.6
Sơ đồ mạch và thiết bị khí
nén

Festo Didactic

TP101

22
Ch−¬ng A-1

Festo Didactic
•
TP101

23
Ch−¬ng A-2


Ch−¬ng 2

C¸c phÇn tö trong hÖ thèng khÝ nÐn

Festo Didactic
•
TP101

24
Chơng A-2
2.1 Máy nén khí và phân phối khí nén
Nguồn không khí cho một hệ thống khí nén đợc tính toán thích hợp và
luôn luôn đảm bảo chất lợng phù hợp. Không khí đợc nén bởi máy nén
khí và đợc đa tới hệ thống phân phối khí trong nhà máy.
Để đảm bảo chất lợng của khí nén là có thể chấp nhận, thiết bị xử lý khí
nén đợc sử dụng để chuẩn bị khí nén trớc khi cung cấp tới các hệ
thống điều khiển.
Sự hoạt động sai chức năng có thể giảm nhiều trong hệ thống nếu khí
nén đợc chuẩn bị chính xác. Một số khía cạnh phải đợc xem xét kỹ khi
chuẩn bị cung cấp khí nén:
Số lợng khí nén yêu cầu phải thoả mãn nhu cầu của hệ thống

Kiều máy nén khí phải sản xuất đợc lợng khí nén yêu cầu
Yêu cầu áp suất
Yêu cầu tích trữ
Yêu cầu về khí sạch
Mức độ ẩm có thể chấp nhận đợc để giảm mòn và giảm hoạt
động khó khăn
Bôi trơn các thiết bị, nếu thấy cần thiết
Nhiệt độ của khí nén và ảnh hởng của nó tới hệ thống
Các kích thớc đờng ống và các cỡ van để đáp ứng yêu cầu
Lựa chọn vật liệu cho phù hợp với môi trờng và yêu cầu của hệ
thống
Các điểm thoát nớc và đờng xả nớc trong hệ thống phân phối
Sự bố trí của hệ thống phân phối để đáp ứng đúng yêu cầu

Nh một nguyên tắc, các phần tử khí nén phải đợc thiết kế cho áp suất
hoạt động lớn nhất 800 1000 kPa (8 10 bar) nh
ng trong thực tế, nó
đợc giới thiệu để hoạt động trong khoảng 500 600 kPa (5 6 bar) vì
mục đích kinh tế. Bởi vậy, có tổn hao áp suất trong hệ thống phân phối,
máy nén khí nên cung cấp khí nén trong khoảng 650 700 kPa (6,5 - 7
bar) để đạt đợc những chỉ tiêu trên.
Nên lắp bình tích khí để giảm sự dao động của áp suất. Trong một vài
trờng hợp, mục bình nhận khí cũng đợc sử dụng để miêu tả một bình
tích khí".
Máy nén khí nạp khí nén vào bình tích có sẵn nh một buồng tích trữ.

TP101

Festo Didactic

25
Chơng A-2
Kính thớc đờng ống của hệ thống phân phối khí nén đợc lựa chọn
theo cách mà tổn thất áp suất từ bình tích áp tới các thiết bị tiêu thụ
trong trờng hợp lý tởng không vợt quá 10 kPa (0,1bar). Lựa chọn kích
thớc đờng ống bị ảnh hởng bởi:
Tỷ lệ lu lợng
Chiều dài đờng ống
Tổn thất áp suất cho phép
áp suất làm việc
Số các tiết lu trên đờng dẫn.


Hình 2.1
Hệ thống phân phối khí

Các mạch vòng thờng xuyên đợc sử dụng nh các đờng ống chính.
Phơng pháp lắp đặt đờng ống cao áp cũng đạt đợc sự cung cấp khí
không đổi trong trờng hợp tiêu thụ khí nén cao. Các đờng ống phải
đợc lắp đặt theo hớng dòng chảy với độ dốc 1 đến 2%. Điều này đặc
biệt quan trọng trong trờng hợp đờng dẫn phân nhánh. Các chất
ngng tụ có thể đợc xả ra khỏi đờng ống ở điểm thấp nhất.
Bất kỳ nhánh nào của các điểm tiêu thụ khí nén, ở nơi mà đờng ống
dẫn đặt nằm ngang thì luôn luôn phải lắp đặt phía trên của đờng ống
dẫn chính.
Các đờng nhánh cho di chuyển chất ngng tụ đợc lắp đặt ở phía dới
của đờng ống dẫn chính.
Các van khoá có thể đợc sử dụng để khoá đờng dẫn khí nén nếu
những đờng dẫn khí nén này không đợc yêu cầu hoặc cần phải đóng
khi sửa chữa hoặc bảo dỡng thiết bị.

Festo Didactic

TP101