Giáo trình khí nén thủy lực (nghề cắt gọt kim loại trình độ cao đẳng)

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.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Khí nén-Thủy lực được biên soạn dựa theo chương trình đào tạo chất
lượng cao đã xây dựng và ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành
cho nghề Cắt gọt kim loại hệ Cao đẳng.
Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được
xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu, trong mỗi bài học đều có ví dụ và bài tập tương
ứng để áp dụng và làm sáng tỏ phần lý thuyết.
Trong quá trình thực hiện, ban biên soạn đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp
thẳng thắn, khoa học và trách nhiệm của nhiều chuyên gia, biên soạn giáo trình dựa trên
năng lực thực hiện, tuy nhiên, không tránh được những thiếu sót. Rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp để giáo trình được hồn thiện hơn, đáp ứng được u cầu thực
tế sản xuất của các doanh nghiệp hiện tại và trong tương lai.
Cần Thơ, ngày tháng năm 20
Tham gia biên soạn
1.Chủ biên: Võ Thanh Giang
2.Huỳnh Chí Linh

2


MỤC LỤC
Trang

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ............................................................................................ 1
LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
BÀI 1: HỆ THỐNG KHÍ NÉN ....................................................................................... 7
1. Khái niệm chung ......................................................................................................... 7
2. Ứng dụng khí nén ........................................................................................................ 7
3. Đơn vị đo ..................................................................................................................... 7
4.Máy nén khí.................................................................................................................. 9
5.Bộ lọc khí ................................................................................................................... 10
6.Van khí nén trong hệ thống điều khiển ...................................................................... 12
6.1.Van đảo chiều .......................................................................................................... 12
6.2.Van chặn.................................................................................................................. 16
6.3.Van tiết lưu .............................................................................................................. 18
6.4.Van áp suất .............................................................................................................. 19
6.5.Van điều chỉnh thời gian ......................................................................................... 19
7.Xy lanh ....................................................................................................................... 20
7.1. Xy lanh tác động đơn ............................................................................................. 20
7.2.Xy lanh tác động kép............................................................................................... 21
7.3.Xy lanh màng .......................................................................................................... 21
7.4.Xy lanh quay bằng thanh răng ................................................................................ 22
7.5.Lực đẩy của xy lanh ................................................................................................ 22
8.Thiết kế mạch điều khiển khí nén .............................................................................. 23
8.1.Biểu đồ trạng thái .................................................................................................... 23
8.2.Thiết kế mạch điều khiển theo tầng ........................................................................ 24
9.Điều khiển điện-khí nén ............................................................................................. 27
9.1.Các phần tử điện ...................................................................................................... 27
9.2.Van đảo chiều điều khiển bằng nam châm điện...................................................... 29
9.3.Mạch điều khiển điện-khí nén ................................................................................. 30
10.Thực hành ................................................................................................................. 33
BÀI 2: HỆ THỐNG THỦY LỰC ................................................................................. 38

1.Định luật của chất lỏng .............................................................................................. 38
2.Đơn vị đo các đại lượng cơ bản ................................................................................. 39
3.Thiết bị cung cấp và xử lý dầu ................................................................................... 40
4.Van thủy lực ............................................................................................................... 45
4.1. Van áp suất ............................................................................................................. 45
4.2. Van đảo chiều ......................................................................................................... 47
4.3.Van tiết lưu .............................................................................................................. 49
4.4. Bộ ổn tốc ................................................................................................................ 50
4.5.Van Chặn ................................................................................................................. 50
5.Xi lanh truyền động .................................................................................................... 52
5.1.Phân loại .................................................................................................................. 52
5.2.Tính tốn xi lanh truyền lực .................................................................................... 53
6. Thực hành .................................................................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58
3


MƠ ĐUN KHÍ NÉN-THỦY LỰC
Tên mơ đun: KHÍ NÉN-THỦY LỰC
Mã mơ đun: MĐ 20
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trị của mơ đun
- Vị trí: Mơ đun được bố trí giảng dạy sau khi học xong mơn học, mô đun cơ sở
khác như điện cơ bản, máy cắt, đồ gá...
- Tính chất của mơ đun: Là mơ đun chun mơn nghề bắt buộc trong chương
trình đào tạo cao đẳng Cắt gọt kim loại
- Ý nghĩa và vai trò của mơ đun: Hệ thống khí nén-thủy lực có vai trị quan trọng
trong các nghành cơng nghiệp. Theo thống kê chưa đầy đủ, khoảng 80% các nhà máy
sản xuất hoạt động cần đến sự hoạt động của hệ thống khí nén. Các ngành công nghiệp
ngày càng mở rộng sản xuất đòi hỏi nhu cầu ngày càng cao hơn về hệ thống khí nén cả
về chất lượng lẫn số lượng. Mơ đun này cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản

về xi lanh, van, cảm biến... làm cơ sở để thiết kế và vận hành các máy và hệ thống điều
khiển bằng khí nén-thủy lực…
Mục tiêu của mơ đun:
Sau khi học xong mơn học này học viên có năng lực
- Kiến thức:
+ Trình bày được cấu trúc, phân tích được sơ đồ của một số hệ thống điều khiển
khí nén-thủy lực thông dụng
- Kỹ năng:
+ Thiết lập được sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén-thủy lực theo yêu cầu cho
những thiết bị cơng nghệ đơn giản, điển hình.
+ Lựa chọn, lắp ráp và hiệu chỉnh được các phần tử khí nén, thủy lực trong sơ đồ
hệ thống khí nén cơ bản.
+ Chạy thử, vận hành và kiểm tra các hệ thống điều khiển khí nén.
+ Phát hiện và khắc phục được các lỗi cơ bản trong hệ thống.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chun mơn
nghiệp vụ.
+ Có năng lực lập kế hoạch, điều phối, phát huy trí tuệ tập thể
+ Có năng lực đánh giá và cải tiến các hoạt động chuyên mơn ở quy mơ trung
bình
Nội dung mơ đun:
Thời gian (giờ)
Thực
Số
hành, thí
Tên các bài trong mơ đun
Tổng
Lý
Kiểm
TT

nghiệm,
số
thuyết
tra
thảo luận,
bài tập
1 BÀI 1: HỆ THỐNG KHÍ NÉN
25
9
15
1
1. Khái niệm chung

0,25

0,25

2. Ứng dụng khí nén

0,25

0,25

4


3. Đơn vị đo

0,25

0,25

4.Máy nén khí

0,25

0,25

2

2

4

4

2

2

5.Bộ lọc khí
6.Van khí nén trong hệ thống điều khiển
6.1.Van đảo chiều
6.2.Van chặn
6.3.Van tiết lưu
6.4.Van áp suất
6.5.Van điều chỉnh thời gian
7.Xy lanh
7.1. Xy lanh tác động đơn
7.2.Xy lanh tác động kép

7.3.Xy lanh màng
7.4.Xy lanh quay bằng thanh răng
7.5.Lực đẩy của xy lanh
8.Thiết kế mạch điều khiển khí nén
8.1.Biểu đồ trạng thái
8.2.Thiết kế mạch điều khiển theo tầng
9.Điều khiển điện-khí nén
9.1.Các phần tử điện
9.2.Van đảo chiều điều khiển bằng nam
châm điện
9.3.Mạch điều khiển điện-khí nén

2

10.Thực hành

15

Kiểm tra

1

BÀI 2: HỆ THỐNG THỦY LỰC

20

6

1.Định luật của chất lỏng

0,25

0,25

2.Đơn vị đo các đại lượng cơ bản

0,5

0,5

3.Thiết bị cung cấp và xử lý dầu

0,25

0,25

3

3

4.Van thủy lực
4.1. Van áp suất
4.2. Van đảo chiều
4.3.Van tiết lưu
4.4. Bộ ổn tốc
5

15
1
13

1


4.5.Van Chặn
5.Xi lanh truyền động

2

2

5.1.Phân loại
5.2.Tính tốn xi lanh truyền lực
6. Thực hành

13

Kiểm tra

1

Cộng

45

6

13
1
15

28

2


BÀI 1: HỆ THỐNG KHÍ NÉN

Mã bài: MĐ20- 01
Giới thiệu:
Các phần tử trong hệ thống khí nén quan trọng vơ cùng. Vì vậy trước khi hiểu
được và làm được thì chúng ta phải hiểu được nguyên lý, các cấu tạo của các phần tử
van, cơ cấu chấp hành khí nén trong mạch cần làm.
Một hệ thống khí nén có rất nhiều các phần tử khí nén và mỗi phần tử có cấu tạo
và nguyên lý hoạt động khác nhau. Như vậy chúng ta cần nắm được những kiến thức
trên thông qua bài này để điều khiển, thiết kế mạch được tối ưu hơn.
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý làm việc của các phần tử trong hệ thống
điều khiển khí nén.
- Lắp đặt được hệ thống điều khiển khí nén cơ bản.
- Chủ động, sáng tạo và an tồn trong thực hành.

Nội dung chính:
1. Khái niệm chung

Hệ thống khí nén là hệ thống mà trong đó các thiết bị hoạt động nhờ sự tác động
của dịng khí nén.
Bằng việc nén khí, năng lượng khí được tích lũy để cung cấp cho các hệ thống
khí. Năng lượng khí nén là nguồn khí lấy từ mơi trường, nó bị nén bởi máy nén nhằm
giảm thể tích và tăng áp lực.

2. Ứng dụng khí nén

Cơng nghệ khí nén đang được khoa học áp dụng một cách phổ biến để chế tạo
các loại máy móc phục vụ cho phát triển sản suất trong cuộc sống.
Các dụng cụ,thiết bị máy va đập:
Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực như khai thác như: khai thác đá, khai thác
than, trong các cơng trình xây dựng như: xây dựng hầm mỏ, đường hầm.
Truyền động quay:
Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng 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, công suất khoảng 3,5 Kw, máy mài, công
suất khoảng 2,5 Kw cũng như máy mài với công suất nhỏ, nhưng số vịng quay khoảng
100.000 vịng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp.
Truyền động thẳng:
Vận dụng truyền động thẳng 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, thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô.
Trong các thiết bị đo và kiểm tra máy nén khí

3. Đơn vị đo

3.1.Áp suất
Ký hiệu: Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal (Pa). Pascal là
áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vng góc lên bề mặt
đó là 1Newton (N).
7

1Pa = 1N/m2
1Pa = 1 kgm/s2/m2 = 1 kg/ms2
Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa)
1Mpa = 106 Pa
Ngồi ra cịn sử dụng đơn vị bar:
1 bar = 105 Pa
Và đơn vị Kp/cm2 (theo tiêu chuẩn Cộng hòa liên bang Đức)
1 Kp/ cm2 = 0,980665 bar = 0,981 bar
1 bar = 1,02 Kp/ cm2
Trong thực tế có thể coi: 1bar = 1Kp/cm2 = 1at (Atmosphere)
Ngồi ra một số nước Anh, Mỹ cịn sử dụng đơn vị đo áp suất (psi)
1bar = 15,4 psi
3.2.Lực
Ký hiệu: F
Đơn vị của lực là Newton (N)
1N là lực tác động lên đối tượng có khối lượng 1kg với gia tốc 1m/s2
F = ma
Một kgf tạo ra gia tốc 1g (9,81m/s2) khi tác dụng vào khối lượng 1kg
Do đó:
1kgf = 9,81N
Hệ Anh: pound lực (lbsf)
1kg = 2,2046 pound (lb)
3.3.Công
Ký hiệu: A
Đơn vị của công là Joule (J)
1J là công sinh ra dưới tác động của lực 1N để vật có thể dịch chuyển quảng
đường là 1m. 1 J = 1 Nm.
3.4.Công suất

Ký hiệu: P
Đơn vị của công suất là Watt (W)
1W là công suất của một thiết bị thực hiện công bằng 1J trong 1s.
1 W = 1 J/s = 1 Nm/s.
3.5.Độ nhớt động
Độ nhớt động khơng có vai trị quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén.
Đơn vị của độ nhớt động là m2/s.
1m2/s là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động lực 1Pa.s và khối lượng
riêng 1kg/m2
v = η/ρ
Trong đó:
η: Độ nhớt động lực (Pa.s)
ρ : khối lượng riêng (kg/m3)
v : độ nhớt động (m2/s)
Ngồi ra, người ta cịn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động là Stokes (St) hoặc là
CentiStockes (cSt).
8


Hình 1.1: Sự phụ thuộc áp suất, nhiệt độ và độ nhớt động của khơng khí

4.Máy nén khí

Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa trên nguồn cung cấp khí nén, khí nén
phải được cung cấp với số lượng và áp suất phù hợp với công suất của hệ thống.
Áp suất khí được tạo ra từ máy nén khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện
hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng.
Ký hiệu:

Hình 1.2: Máy nén khí kiểu Pittong

Hình 1.3: Máy nén khí kiểu cánh gạt

9


5.Bộ lọc khí

Hình 1.4: Máy nén khí kiểu trục vít

Ký hiệu:

Hình 1.5: Bộ lọc khí

Bộ lọc khí có 3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất và van tra dầu.
-Van lọc khí 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.
-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 dao động của
áp suất ở đầu vào. Áp suất ở đầu vào luôn luôn là lớn hơn áp suất ở đầu ra.

10


Hình 1.6: Van lọc khí nén

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 bởi
lực căn lò xo lực. Để ngăn chặn đĩa van dao động chập chờn phải dùng đến lò xo cản
gắn trên đĩa van.

Hình 1.7: Van điều chỉnh áp suất

- 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 1.8: Van tra dầu

11


6.Van khí nén trong hệ thống điều khiển

6.1.Van đảo chiều
Van đảo chiều là cơ cấu chỉnh hướng có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng
đi qua van chủ yếu bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của
dịng năng lượng.
6.1.1.Ngun lý hoạt động
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) 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 tác động của lực lị xo, nịng van trở về vị trí ban đầu.

Hình 1.9: Van đảo chiều

6.1.2.Ký hiệu van đảo chiều
Van đảo chiều có rất nhiều dạng khác nhau, nhưng dựa vào đặc điểm chung là số
cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động.
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, 3 …

vào.

Vị trí “0” là được ký hiệu là vị trí mà khi van chưa có tín hiệu tác động của ngồi

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 thì vị trí b là vị trí “0”.
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 khí bị chặn, được biểu diễn
bằng dấu gạch ngang.
- Số cửa (đường): là số lỗ để dẫn khí hoặc dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo
chiều thường dùng là 2, 3, 4, 5. Đơi khi có thể nhiều hơn.
Thường kí hiệu: Cửa nối với nguồn : P
Cửa nối làm việc: A, B, C…
Cửa xả lưu chất: R, S, T…
12


- Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trượt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác.
Có thể là 1 hoặc 2. Thường dùng các kí hiệu: X, Y, …
Cửa nối van được ký hiệu như sau: ISO 5599
ISO 1219
Cửa nối với nguồn(từ bộ lọc khí)
Cửa nối làm việc

Cửa xả khí
Cửa nối tín hiệu điều khiển

1
2 , 4, 6, …
3 , 5 , 7…
12 , 14…

P
A , B , C, …
R , S , T…
X,Y…

Một số van đảo chiểu thông dụng:
-Van đảo chiều 2/2

-Van đảo chiều 3/2
-Van đảo chiều 4/2
-Van đảo chiều 5/2
-Van đảo chiều 4/3
6.1.3.Tín hiệu tác động
Nếu ký hiệu lị xo nằm ngay phía bên phải của ký hiệu van đảo chiều, thì van
đảo chiều đó có vị trí “khơng”, vị trí đó là ơ vng phía bên phải của ký hiệu van đảo
chiều và được ký hiệu “0”. Điều đó có nghĩa là khi nào chưa có tác động vào nịng
van, thì lị xo tác động giữ vị trí đó. Tác động phía đối diện của van, ví dụ: tín hiệu tác
động bằng cơ, bằng khí nén hay bằng điện giữ ơ vng phía bên trái của van và được
ký hiệu “1”.
13

Tác động bằng tay

Nút bấm
Nút nhấn tổng quát
Tay gạt
Bàn đạp

Tác động bằng cơ

Đầu dị
Cữ chặn bằng hành trình tác động 2 chiều
Cữ chặn bằng hành trình tác động 1 chiều
Lị xo
Nút nhấn có rãnh định vị

Tác động bằng điện
Trực tiếp
Bằng nam châm điện và van phụ trợ
Tác động bằng khí

Trực tiếp bằng dịng khí đầu vào
Trực tiếp bằng dịng khí đầu ra
Gián tiếp bằng dịng khí đầu vào qua van phụ
Gián tiếp bằng dịng khí đầu ra qua van phụ

6.1.4.Van đảo chiều có vị trí “khơng” (khơng duy trì)
-Van đảo chiều có vị trí “khơng” là loại van nếu khơng có tín hiệu tác động thì
van chỉ dừng ở một vị trí duy nhất (đối với van có hai vị trí thì thường vị trí b; loại van
có 3 vị trí thì vị trí “khơng” nằm ơ vng ở giữa).
-Van đảo chiều 2/2, tác động cơ học-đầu dị:

Hình 1.10: Van đảo chiều 2/2

14


-Van đảo chiều 3/2, tác động cơ học-đầu dị:

Hình 1.11: Van đảo chiều 3/2

-Van đảo chiều 3/2, tác động bằng tay-nút ấn:

-Van đảo chiều 4/2, tác động bằng bàn đạp:
-Van đảo chiều 5/2, tác động bằng cơ – đầu dị:

Hình 1.12: Van đảo chiều 5/2

-Van đảo chiều 5/2, tác động bằng khí nén:

Hình 1.13: Van đảo chiều 5/2

15


6.1.5.Van đảo chiều khơng có vị trí “khơng” (có duy trì)
Van đảo chiều khơng có vị trí “khơng“ là loại van sau khi tín hiệu tác động lần
cuối lên nịng van khơng cịn nữa, thì van sẽ giữ ngun vị trí lần đó, khi nào chưa có
tác động lên phía đối diện nịng van. Vị trí tác động được ký hiệu a, b, c…
Tác động lên nịng van có thể là:
- Tác động bằng tay, bàn đạp.

- Tác động bằng dịng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ hai phía nịng van.
- Tác động trực tiếp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dịng khí nén đi qua van
phụ trợ.
Loại van đảo chiều chịu tác động bằng dịng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ
hai phía nịng van hay tác động trực tiếp bằng điện từ hoặc gián tiếp bằng dịng khí nén
đi qua van phụ trợ được gọi là van đảo chiều xung bởi vì vị trí của van được thay đổi
khí có tín hiệu xung tác động lên nịng van.
-Van trượt đảo chiều 3/2 tác động bằng tay:

Hình 1.14: Van trượt đảo chiều 3/2

Khi dịch chuyển ống lót sang vị trí a, thì cửa P nối cửa A và cửa R bị chặn. Khi
dịch chuyển ống lót sang vị trí b, thì cửa A nối với cửa R và cửa P bị chặn.
-Van xoay đảo chiều 4/3 tác động bằng tay:

Hình 1.15: Van trượt đảo chiều 4/3

6.2.Van chặn
Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiều, chiều ngược lại bị
chặn.
16


6.2.1.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, dịng khí nén đi từ A
qua B, chiều từ b qua A bị chặn.

Hình 1.16: Van một chiều

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

Hình 1.17: Van OR

6.2.3.Van AND
Khi có dịng khí nén qua cửa P1 sẽ đẩy piston trụ của van sang vị trí bên phải
như vậy cửa P1 bị chặn. Khi có dịng khí nén qua cửa P2 sẽ đẩy piston trụ của van sang vị
trí bên trái, cửa P2 bị chặn. Nếu dịng khí nén đồng thời đi qua cửa P1 và P2, cửa A sẽ
nhận được tín hiệu, tức là khí nén sẽ đi qua cửa A. Như vậy 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.

Hình 1.18: Van AND

17


6.2.4.Van xả khí nhanh
Khi dịng khí nén đi qua cửa P2 sẽ đẩy piston trụ sanh phải chắn cửa R, như
vậy cửa P nối với cửa A. Trường hợp ngược lại, khi dịng khí nén đi từ A sẽ đẩy pít tơng trụ sang trái chắn cửa P và như vậy cửa A nối với cửa R. Van xả khí nhanh
thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành, ví dụ piston có nhiệm vụ xả khí nhanh ra
ngồi.

Hình 1.19: Van xả khí nhanh

6.3.Van tiết lưu
Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy tức là điều chỉnh vận tốc
hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành. Ngồi ra van tiết lưu cũng có nhiệm vụ điều
chỉnh thời gian chuyển đổivị trí của van đảo chiều. Nguyên lý làm việc của van tiết lưu
là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện.
6.3.1.Van tiết lưu có tiết diện khơng đổi:
Lưu lượng dòng chảy qua khe hở của van có tiết diện không thay đổi được.

Hình 1.20: Van tiết lưu

6.3.2.Van tiết lưu có tiết diện thay đổi:
Van tiết lưu có tiết diện thay đổi điều chỉnh được lưu lượng dòng chảy qua van.
Hình vẽ là nguyên lý hoạt động và ký hiệu của van tiết lưu có tiết diện thay đổi, tiết lưu
được cả hai chiều của dịng khí nén đi từ A qua B và ngược lại. Tiết diện được thay đổi
bằng vít điều chỉnh.

Hình 1.21: Van tiết lưu có tiết diện thay đổi

18


6.4.Van áp suất
6.4.1.Van an tồn
Van an tồn 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 dịng áp suất khí nén sẽ thắng lực lị xo và khí
nén sẽ theo cửa R thốt ra ngồi mơi trường.
6.4.2.Van tràn
Ngun 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.

6.4.3.Van điều chỉnh áp suất:
Van điều chỉnh áp suất có cơng dụng giữ áp suất khơng 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. Nguyên tắc hoạt động của van điều chỉnh áp suất như sau: 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 thơng tác dụng lên màng, vị trí kim
van thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngồi. Đến khi áp suất ở đường ra giảm xuống
bằng với áp suất được điều chỉnh, kim van trở về vị trí ban đầu.

Hình 1.22: Van điều chỉnh áp suất

6.5.Van điều chỉnh thời gian
6.5.1.Rơle thời gian đóng chậm
Rơle thời gian đóng chậm gồm cụm các phần tử: van tiết lưu một chiều điều
chỉnh bằng tay, bình trích chứa, van đảo chiều 3/2 ở vị trí “khơng” cửa P bị chặn.

19


Hình 1.23: Van điều chỉnh đóng bằng rơ le thời gian

Khí nén 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.
6.5.2.Rơle thời gian ngắt chậm
Rơle thời gian đóng chậm, về nguyên lý, cấu tạo cũng tương tự như rơle thời
gian đóng chậm, nhưng van một chiều có chiều ngược lại.

Hình 1.24: Van điều chỉnh mở bằng rơ le thời gian

6.6.Van chân không
Van chân khơng là cơ cấu có nhiệm vụ hút và giữ chi tiết bằng lực chân không,
chân không được tạo ra bằng bơm chân khơng hay bằng ngun lý ống Ventury.

Hình 1.25: Van chân khơng

7.Xy lanh

Xy lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của nguồn khí nén thành cơng cơ học
dưới dạng chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay
7.1. Xy lanh tác động đơn
20


Xy lanh tác động đơn chỉ được cung cấp khí nén từ một phía do đó chỉ tạo ra hành trình
làm việc theo một chiều. Hành trình ngược lại của piston được thực hiện bởi lị xo.

Hình 1.26: Xy lanh tác động đơn

7.2.Xy lanh tác động kép
Hành trình đi và về của piston đều có tác động bởi khí nén. Sử dụng trong trường
hợp địi hỏi phải có chuyển động hai chiều có điều khiển.
-Xy lanh tác dụng kép khơng có giảm chấn

Hình 1.27: Xy lanh kép khơng giảm chấn

-Xy lanh tác dụng kép có giảm chấn

Hình 1.28: Xy lanh kép có giảm chấn

Nhiệm vụ của cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của piston vào thành
xy lanh ở vị trí cuối khoảng chạy. Nguyên lý hoạt động của xy lanh tác dụng kép có
giảm chấn cuối khoảng chạy. Người ta dùng van tiết lưu một chiều để thực hiện nhiệm
vụ giảm chấn.
7.3.Xy lanh màng
Là loại xi lanh tác động đơn, piston làm kín dạng màng chắn. Loại này có hành
trình làm việc nhỏ (dưới 80mm), do vậy nó thường sử dụng nhiều trong cơng nghiệp ơ
tơ (điều khiển thắng, ly hợp…)
21


Hình 1.29: Xy-lanh màng

7.4.Xy lanh quay bằng thanh răng
Chuyển động tịnh tiến piston biến thành chuyển động quay của trục cơng tác nhờ
cơ cấu bánh răng-thanh răng. Góc quay có thể là 900, 1800, 3600

Hình 1.30: Xy lanh quay

7.5.Lực đẩy của xy lanh
Với xy lanh tác động đơn
F = η .P.A – FLX [N]
Với xy lanh tác động kép
Lực đẩy ở hành trình đi ra của piston
F = η .P.A [N]
Lực đẩy ở hành trình rút về của piston
Fv = η .P.A’ [N]
𝐴=

Trong đó:

P
FLX
D
d
η

𝜋.𝐷 2
4

𝜋

. 10−6

[m2]

𝐴′ = . (𝐷 2 − 𝑑 2 )10−6
4

[m2]

áp suất khí nén cấp cho xi lanh, [N/m2]
lực phản hồi của lị xo, [N]
đường kính xy lanh, [mm]
đường kính cần piston, [mm]
hiệu suất làm việc của xy lanh, [%]

22


8.Thiết kế mạch điều khiển khí nén

Điều khiển là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một hay
nhiều đại lượng vào, những đại lượng ra thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ
thống đó. Một hệ thống điều khiển gồm thiết bị điều khiển và đối tượng điều khiển.
Đối tượng điều khiển: là các loại thiết bị, máy móc trong kỹ thuật.
Thiết bị điều khiển: bao gồm phần tử đưa tín hiệu, phần tử xử lý và điều khiển,
cơ cấu chấp hành.
8.1.Biểu đồ trạng thái
Biểu đồ trạng thái biểu diễn các trạng thái hoạt động của các phần tử trong hệ
thống, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Do đó nó
được xem như là cơ sở thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ thống.
Trục tung của biểu đồ trạng thái là biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động,
áp suất, góc quay,…). Trục hoành biểu diễn các bước thực hiện hoặc là thời gian hành
trình. Hành trình làm việc được chia thành nhiều bước. Sự thay đổi trạng thái các bước
được biểu diễn bằng các đường nét đậm. Sự liên kết các tín hiệu được thể hiện bằng các
nét nhỏ và chiều tác động được biểu diễn bằng mũi tên
Ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái:

.

Công tắc ngắt lúc nguy hiểm

Nút ấn tác động đồng thời

Nút đóng

Phần tử áp suất

Nút ngắt

Phần tử thời gian

Nút đóng và ngắt

Tín hiệu rẽ nhánh

Cơng tắc chuyển mạch

Liên kết OR

Nút ấn

Liên kết AND

Nút tự động

Tín hiệu tác động bằng cơ

Đèn báo hiệu

Liên kết OR có một nhánh phụ

Ví dụ: Thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau.
Xi lanh tác dụng hai chiều 1A sẽ đi ra ở bước 1 và sau đó xi lanh 2A đi ra bước
2. Ở bước 3 xi lanh 1A đi vào và bước 4 xi lanh 2A đi vào. Bước 5 quay trở lại bước 1.
-Khi xi lanh đi ra kí hiệu là (+) và đi vào kí hiệu là (-).
Ta có: 1A + 2A + 1A – 2A

23

Biểu đồ trạng thái trên có nghĩa như sau: khí tác động váo nút nhấn khởi động 1S1 và
2S1 được tác động thì xy lanh 1A đi ra (1A+). Xy lanh 1A+ sẽ tác động vào 1S3 và 1S3 điều
khiển cho 2A+. Khi 2A+ sẽ tác động vào 2S2 làm cho 1A + trở về 1A-. Khi 1A- tác động 1S2
làm 2A-, tác động 2S1 đóng.
8.2.Thiết kế mạch điều khiển theo tầng
Nguyên tắc thiết kế mạch theo tầng:
-Tín hiệu vào ở các bước trong cùng một tầng không được trùng nhau. Do đó khi
có các tín hiệu vào giống nhau, cần xem xét khả năng chia tầng
-Tại thời điểm bất kỳ chỉ có duy nhất một tầng điều khiển hoạt động
Cách chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng
-Chia chu kỳ hoạt động của các cơ cấu chấp hành thành các tầng với điều kiện
khơng có xy lanh nào vừa đi ra vừa đi về trong một tầng.
-Khi chia tầng nên lấy số lượng tầng nhỏ nhất
-Khi sử dụng van đảo chiều 5/2 tác động hai phía bằng khí nén, điều rất quan
trọng là tránh tín hiệu điều khiển trái ngược nhau cùng lúc ở cả hai phía điều khiển của
van.
Trong phương pháp thiết kế theo tầng, để tránh trường hợp trên, mỗi tầng sẽ được
gắn với một nguồn khí nén riêng, và khi tầng nào được kích hoạt, tầng đó sẽ được cung
cấp dịng khí nén. Đường khí nén riêng cho từng tầng sẽ được dẫn tới các cơng tắc hành
trình khí nén để tác động lên các van đảo chiều.
24


-Tín hiệu đầu tầng n chính là tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng thứ n –
1. Tín hiệu đầu tầng 1 chính là tín hiệu sau cùng của tầng n kết hợp với nút nhấn Start.
Các tín hiệu đầu tầng thường là các cơng tắc hành trình.
Có thể sử dụng vòng tròn chia thành nhiều phần để thuận tiện và dễ dàng khi chia
tầng và xác định tín hiệu đầu tầng.
Ví dụ: hai xy lanh A và B hoạt động với quy trình được biểu diễn như sơ đồ trạng

thái sau:
Nhịp thực hiện
Xy lanh A
S2
S1
Xy lanh B

1

2

3

4

5=1

Start

S4
S3
I

II

Tầng
Tín hiệu đầu tầng I; E1 = S1 ^ Start
Tín hiệu đầu tầng II: E2 = S4
Khái quát mạch đảo tầng
Ban đầu mạch đảo tầng cấp khí cho tầng thứ n

Sau khi nhấn nút Start, mạch đảo tầng sẽ cấp khí cho tầng I, ở tầng này nguồn
khí sẽ cung cấp cho các chuyển động trong tầng I để điều khiển cơ cấu chấp hành (có
thể điều khiển trực tiếp hoặc thơng qua các cơng tắc hành trình). Tín hiệu đầu tầng II sẽ
được tác động khi tầng I kết thúc,…và cứ tiếp tục như thế cho đến tầng thứ n, và chu
trình quay trở lại tầng I.
Để cung cấp khí cho các tầng tín hiệu khác nhau theo thứ tự nhất định, có thể sử
dụng một hoặc nhiều van đảo chiều 4/2 hoặc 5/2. Số lượng van đảo chiều luôn bằng số
tầng trừ đi 1. Các van đảo chiều này được gọi là các phần tử nhớ.
Mạch chuẩn hai tầng:
-Mạch hai tầng (n = 2), phần tử nhớ: n – 1 = 1
-E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II
-Ban đầu, khí từ nguồn sẽ cung cấp cho tầng II, sau khi có tín hiệu E1 tác động,
van 5/2 đổi vị trí làm cho khí được dẫn lên cung cấp cho tầng I, khí ở tầng II thốt ra
ngồi.
Dịng khí nén cung cấp cho tín hiệu đầu tầng thứ n đều lấy từ tầng thứ n -1.

25