ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng CHƯƠNG SẢN XUẤT VÀ PHÂN PHỐI NGUỒN NĂNG LƯNG Khí nén Sản xuất khí nén Phân phối khí nén Xử lý khí nén Thủy lực Cung cấp lượng Xử lý dầu Bài tập 15 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 2.1 KHÍ NÉN 2.1.1 Sản xuất khí nén Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, nguồn khí phải sản xuất thường xuyên với lượng thể tích đầy đủ với áp suất định thích hợp cho lượng hệ thống 2.1.1.1 Máy nén khí Máy nén khí máy có nhiệm vụ thu hút không khí, ẩm, khí đốt áp suất định tạo nguồn lưu chất có áp suất cao 2.1.1.2 Các loại máy nén khí Máy nén khí phân loại theo áp suất theo nguyên lý hoạt động Đối với nguyên lý hoạt động ta có: -Máy nén theo nguyên lý thể tích: máy nén pít tông, máy nén cánh gạt -Máy nén tuốc bin dùng cho công suất lớn không kinh tế sử dụng lưu lượng mức 600m3/phút Vì không mang lại áp suất cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén sử dụng 2.1.1.2.1 Máy nén kiểu pít tông (Reciprocating compressors) Máy nén pít tông (hình 2.1) máy nén phổ biến cung cấp suất đến 500m3/phút Máy nén pít tông nén khí khoảng bar ngoại lệ đến 10 bar; máy nén kiểu pít tông hai cấp nén đến 15 bar; 3-4 cấp lên đến 250 bar Không khí Khí nén Pít tông Kí hiệu Chu kì hút Chu kì nén đẩy Hình 2.1 Máy nén kiểu pít tông Lưu lượng máy nén pít tông: Qv = V.n.ηv 10-3 [lít / phút] Trong đó: V - Thể tích khí nén tải vòng quay n – Số vòng quay động máy nén ηv – Hiệu suất nén 2.1.1.2.2 Máy nén kiểu cánh quạt (Rotary compressors) (2.1) [cm3]; [vòng / phút] [%] 16 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 2e D a Buồng hút Buồng đẩy Kí hiệu Hình 2.2 Máy nén kiểu cánh gạt Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu cánh gạt mô tả hình 2.2: không khí vào buồng hút Nhờ rôto stato đặt lệch tâm, nên rôto quay chiều sang phải, không khí vào buồng nén Sau khí nén buồng đẩy Lưu lượng máy nén cánh gạt tính theo []: Qv = (π.D – z.a).2.e.b.n.λ Trong đó: a - Chiều dày cánh gạt e – Độ lệch tâm z – Số cánh gạt; D – Đường kính stato n – Số vòng quay rôto b – Chiều rộng cánh gạt λ - Hiệu suất [m3/phút] (2.2) [m]; [m]; [m]; [vòng/phút]; [m] (λ = 0,7 – 0,8); 2.1.2 Phân phối khí nén Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, đảm bảo áp suất p lưu lượng Q chất lượng khí nén cho thiết bị làm việc, ví dụ van, động khí, xy lanh khí… Truyền tải không khí nén thực hệ thống ống dẫn khí nén, ý hệ thống ống dẫn khí mạng đường ống lắp ráp cố định (trong toàn nhà máy) mạng đường ống lắp ráp thiết bị, máy mô tả hình 2.3 Đối với hệ thống phân phối khí nén tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu chuẩn chọn thông số hệ thống ống dẫn ( đường kính ống, vật liệu ống); cách 17 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng Service unit Air accumulator within pneumatic system slope 1-2% lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phẫn phối đóng vai trò quan trọng phương diện kinh tế yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khí nén Air consumer Air receiver Air accumulator for several consumers Condensate trap Compressor Drain lock Hình 2.3 Hệ thống phân phối khí nén 2.1.2.1 Bình nhận trích khí nén Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân áp suất khí nén máy nén khí chuyển đến, trích chứa, ngưng tụ tách nước trước chuyển đến nơi tiêu thụ Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất máy nén khí, công suất tiêu thụ thiết bị sử dụng vàphương pháp sử dụng khí nén Bình trích chứa khí nén đặt nằm ngang, nằm đứng Đường ống khí nén nằm vị trí cao bình trích chứa (hình 2.4) Đường khí nén vào Đường khí nén a b Hình 2.4 Các loại bình trích chứa 2.1.2.2 Đường ống Đường ống dẫn khí nén có đường kính vài milimet trở lên Chúng làm vật liệu cao su, nhựa kim loại Thông số kích thước ống (đường kính bên trong) phụ thuộc vào: vận tốc dòng chảy cho phép, tổn thất áp suất cho phép, áp suất làm việc, chiều dài ống, lưu lượng, hệ số cản trở dòng chảy phụ kiện nối ống 18 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC - - - Lưu lượng: phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy (Q=v.F) Vận tốc dòng chảy lớn, tổn thất áp suất ống lớn Vận tốc dòng chảy: vận tốc dòng chảy khí nén ống dẫn nên chọn từ ÷ 10 m/s Vận tốc dòng chảy qua chỗ lượn cua ống nối ống, van, nơi có tiết diện nhỏ lại tăng lên, hay vận tốc dòng chảy tăng lên thời thiết bị hay máy móc vận hành Tổn thất áp suất: tốt không vượt 0.1 bar Thực tế sai số cho phép đến 5% áp suất làm việc Như tổn thất áp suất 0.3 bar chấp nhận với áp suất làm việc bar Hệ số cản dòng chảy: lưu lượng khí qua chỗ nối khớp, van, khúc cong gây tượng cản dòng chảy Bảng 1, biểu thị hệ số cản tương đương chiều dài ống dẫn l’ phụ kiện nối Chiều dài ống dẫn tương đương l’ (m) Đường kính ống dẫn (mm) 25 40 50 80 100 125 150 Phụ kiện nối Van kiểu mỏng màng 1,2 2,0 3,0 4,5 10 10 15 25 30 50 60 10 15 20 25 Van chaén 0,3 0,5 0,7 1,5 2,5 Nối vuông góc 1,5 2,5 3,5 10 15 Ñoä cong R = d 0,3 0,5 0,6 1,5 2,5 0,15 0,25 0,3 0,5 0,8 1,5 10 15 20 0,5 0,7 2,5 3,5 Van khóa d Van mở phần Độ cong R = 2d R d Nối ống thu nhỏ 2d ng nối T Bảng Giá trị hệ số cản ζ tương đương chiều dài ống dẫn l’ Trong thực tế để xác định thông số mạng đường ống người ta dựa vào biểu đồ cho hình 2.5 19 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chiều dài oáng (mm) 25 10 20 50 60 100 200 500 600 1000 2000 32 50 60 10 70 80 15 20 25 100 Lưu lượng khí nén (lít / s) Đường kính ống (mm) 40 30 35 125 40 50 150 0.001 0.002 0.005 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 Tổn thất áp suất ống dẫn (bar) 100 10 15 AÙp suất yêu cầu (bar) Hình 2.5 Biểu đồ phụ thuộc thông số Theo biểu đồ hình 2.5, thông số yêu cầu áp suất p, lưu lượng q, chiều dài ống, tổ thất áp suất ∆p đường kính ống có mối liên hệ phụ thuộc với Ví dụ: áp suất yêu cầu p = [bar] Chiều dài ống l = 200 [m] Lưu lượng qv = 10 [m3/phút] Tổn thất áp suất ∆p = 0,1 [bar] Từ biểu đồ hình 2.5 ta xác định mối quan hệ đại lượng đường nét đậm từ ta đường kính ống dẫn cần chọn φ = 70 mm 2.1.3 Xử lý khí nén 20 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Khí nén tạo từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn mức độ khác Chất bẩn bụi, độ ẩm không khí hút vào, cặn bả dầu bôi trơn truyền động khí Hơn trình nén nhiệt độ khí nén tăng lên, gây ôxy hóa số phần tử hệ thống Do việc xử lý khí nén cần phải thực bắt buộc Khí nén không xử lý thích hợp gây hư hỏng gây trở ngại tính làm việc phần tử khí nén Đặc biệt sử dụng khí nén hệ thống điều khiển đòi hỏi chất lượng khí nén cao Mức độ xử lý khí nén tùy thuộc vào phương pháp xử lý Trong thực tế người ta thường dùng lọc để xử lý khí nén (hình 2.6) Kí hiệu Hình 2.6 Bộ lọc khí Bộ lọc khí có phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất van tra dầu Van lọc khí (hình 2.7) làm chất bẩn ngưng tụ nước chứa Khí nén tạo chuyển động xoắn qua xoắn kim loại, sau qua phần tử lọc, chất bẩn tách bám vào màng lọc, với phân tử nước để lại nằm đáy bầu lọc Tùy theo yêu cầu chất lượng khí nén mà chọn phần tử lọc Độ lớn phần tử lọc nên chọn từ 20µm – 50µm Khí vào Khí Lá kim loại xoắn Phần tử lọc Tấm ngăn h Phần chứa nước Cửa xả nùc Kí hiệu Hình 2.7 Van lọc khí nén 21 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ van áp suất ổn định áp suất điều chỉnh, có thay đổi bất thường áp suất làm việc đường dao động áp suất đầu vào p suất đầu vào luôn lớn áp suất đầu (hình 2.8) Lò xo cản Đóa van Khí vào Khí P Miệng van Màng kín P2 Cửa xả khí Lò xo lực Vít điều chỉnh Kí hiệu Hình 2.8 Van điều chỉnh áp suất Van điều chỉnh áp điều chỉnh vít điều chỉnh tác động lên màng kín Phía màng chịu tác dụng áp suất đầu ra, phía chịu tác dụng lực lò xo sinh vít điều chỉnh Bất kỳ tăng áp đầu tiêu thụ gây cho màng kín dịch chuyển chống lại lực lò xo hạn chế dòng khí qua miệng van lúc đóng sát Khi khí nén tiêu thụ, áp suất đầu giảm, kết đóa van mở bở lực lò xo lực Để ngăn chặn đóa van dao động chập chờn phải dùng đến lò xo cản gắn đóa van Van tra dầu: sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho thiết bị hệ thống điều khiền khí nén nhằm giảm ma sát, ăn mòn gỉ (hình 2.9) Vít điều chỉnh Lỗ quan sát Khí vào Khí + dầu bôi trơn Ống venturi Ống dẫn dầu Van chiều Kí hiệu Hình 2.9 Van tra dầu 22 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng 2.2 THỦY LỰC 2.2.1 Cung cấp lượng dầu ép Trong hệ thống điều khiển thủy lực nguồn lượng dùng để hệ hoạt động dầu ép Để cung cấp lượng cho hệ thống điều khiển thường sử dụng thiết bị bơm dầu Bơm dầu phần tử quan trọng hệ thồng điều khiển thủy lực, dùng để biến thành lượng dầu Những thông số bơm lưu lượng áp suất Lưu lượng bơm lý thuyết không phụ thuộc vào áp suất (trừ bơm ly tâm), mà phụ thuôc vào kích thước hình học vận tốc quay Nhưng thực tế rò rỉ qua khe hở khoang hút khoang đẩy, khoang đẩy với bên nên lưu lượng thực tế bơm nhỏ lưu lượng lý lý thuyết giảm dần áp suất tăng 2.2.1.1 Các loại bơm 2.2.1.1.1 Bơm bánh Bơm bánh có kết cấu hình 2.10 Buồng đẩy B Kí hiệu Buồng hút A Hình 2.10 Nguyên lý làm việc bơm bánh Nguyên lý làm việc bơm bánh thay đổi thể tích: thể tích buồng hút (A) tăng, bơm dầu hút, thực chu kỳ hút; thể tích giảm, bơm đẩy dầu buồng (B), thực chu kỳ nén Nếu đường dầu ta đặt vật cản dầu bị chặn lại tạo nên áp suất định phụ thuộc vào độ lớn sức cản kết cấu bơm Lưu lượng bơm bánh tính theo công thức: Q= 2πd.m.z.b.n η v 1000 (2.3) [l/ph] Trong đó: m – mô đun bánh d – đường kính vòng chia bánh b – bề rộng bánh n – số vòng quay phút z – số răng; [cm]; [cm]; [cm]; [cm]; 23 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC ηv – hiệu suất thể tích 2.2.1.1.2 Bơm cánh gạt Bơm cánh gạt dùng rộng rãi bơm bánh ổn định lưu lượng, hiệu suất thể tích cao Lưu lượng bơm thay đổi cách thay đổi độ lệch tâm Buồng đẩy B Stato Rôto Cánh gạt Buồng hút A Hình 2.11 Bơm cánh gạt tác động đơn Lưu lượng bơm cánh gạt tác động kỳ nhiều cánh tính theo công thức: Q= Trong đó: πd.b.n.e 1000 (2.4) [l/ph] d – Đường kính stato [cm]; b – Chiều rộng cánh gạt [cm]; e – Độ lệch tâm [cm]; n – Số vòng quay rôto [vòng/phút] 2.2.1.1.3 Bơm pít tông Bơm pít tông có khả làm kín tốt so với bơm cánh gạt bánh răng, bơm pít tông sử dụng rộng rãi hệ thống thủy lực làm việc áp suất cao Phụ thuộc vào vị trí pít tông rôto, phân biệt chúng thành bơm hướng kính hướng trục 2.2.1.1.3.1 Bơm hướng kính Bơm dầu pít tông hướng kính có pít tông chuyển động hướng tâm vối trục quay rôto Tùy thuộc vào số pít tông ta có lưu lượng khác (hình 2.12) Hình 2.12 Bơm piston hướng kính 24 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Lưu lượng bơm hướng kính tính theo công thức: πd Q= h i n.10 −3 [ l / ph] (2.5) Trong đó: d – Đường kính pít tông [cm]; h – Khoảng chạy pít tông, h = 2e = (1.3 – 1.4)d ; e : độ lệch tâm [cm]; i – Số pít tông; n – Số vòng quay rôto phút 2.2.1.1.3.2 Bơm hướng trục Bơm pít tông hướng trục loại bơm có pít tông đặt song song với trục rôto truyền khớp nối với trục quay động điện (hình 2.13 ) Bơm pít tông hướng trục có ưu điểm kích thước nhỏ gọn hầu hết chỉnh lưu nhờ điều chỉnh góc nghiên kết cấu đóa nghiên ôû bôm D d h α Hình 2.13 Bôm pít tông hướng trục Lưu lượng bơm hướng trục tính theo công thức: Q= πd D i n tgα 10 −3 (2.6) [ l / ph] Trong đó: d – Đường kính pít tông D – đường kính phân bố xy lanh i – Số pít tông; n – số vòng quay trục rôto α - góc nghiên rôto với trục quay [cm]; [cm]; [vg/ph]; [độ] 25 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng 2.2.1.2 Bể Dầu 2.2.1.2.1 Nhiệm vụ - Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín ( cấp nhận dầu chảy về) - Giải tỏa nhiệt sinh trình bơm dầu làm việc - Lắng đọng chất cặn bả, dơ bẩn trình làm việc - Tách nước 2.2.1.2.2 Chọn kích thước bể dầu Đối với bể dầu di động, thể tích chọn sau: V = 1,5.qv (2.7) Đối với loại bể dầu cố định, thể tích bể dầu chọn sau: V = (3,0 – 5,0).qv (2.8) Trong đó: V [lít] ; qv [lít/phút] 2.2.1.2.3 Kết cấu bể dầu Hình 2.14 mô tả nguồn cung cấp lượng dầu Khi động (1) có điện, bơm dầu làm việc, dầu hút lên qua qua ống hút (15) cấp cho hệ thống điều khiển qua cửa áp (5), dầu xả cho lại thùng (11) qua cửa (8) qua lọc (16) Hình 2.14 Kết cấu nguồn dầu 26 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Dầu thường đổ vào thùng (11) qua cửa (10) bố trí nắp bể lọc kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắt dầu (9) Quan sát áp suất nguồn dầu đồng hồ áp suất (7) Giá trị áp suất giới hạn nguồn điều chỉnh van an toàn áp suất (6) 2.2.2 XỬ LÝ DẦU Trong hệ thống điều khiển thủy lực, việc xử lý dầu thường dùng đến lọc dầu Hình 2.15 lọc với kích thước chủng loại khác Trong trình làm việc không tránh khỏi dầu bị bẩn chất bẩn tạo từ bên hay thân Những chất bẩn gây tượng kẹt khe hở, tiết diện dòng chảy làm ảnh hưởng lớn đến ổn định hoạt động hệ thống hư hỏng Do hệ thống dầu ép ta thường gắn lọc dầu để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên cấu, phần tử dầu ép Bộ lọc dầu thường đặt ống hút bơm dầu Trường hợp cần dầu hơn, đặt thêm cửa bơm, ống xả hệ thống dầu ép Lưu lượng chảy qua lọc dầu, ta dùng công thức tính lưu lượng qua lưới loïc: Q =α A.∆p η [l / ph] (2.9) Trong đó: A – diện tích toàn bề mặt lọc [cm2]; ∆p - hiệu áp lọc (∆p = p2 – p1) [bar]; η - độ nhớt động lực dầu [P]; α - hệ số lọc, đặc trưng cho lượng dầu chảy qua lọc đơn vị diện tích thời gian [l/cm2.ph] Tùy thuộc vào đặc điểm lọc, lấy α = 0,006 – 0,009 Hình 2.15 Bộ lọc Một số cách lắp lọc dầu hệ thống Tùy theo yêu cầu chất lượng dầu hệ thống điều khiển, mà ta lắp lọc dầu vị trí khác (hình 2.16) 27 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC M T M b Bộ lọc lắp đường nén a Bộ lọc lắp đường hút T M c Bộ lọc lắp đường xả Hình 2.16 - Cách lắp lọc hệ thống 28 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Bài 1: Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng BÀI TẬP CHƯƠNG Một bơm chuyển dời vị trí tích 14 cm3/rev quay với 1440 rev/min áp suất làm việc lớn 150 bar Hiệu suất thể tích 0.9 hiệu suất tổng bơm 0.8 Tính: Lưu lượng bơm phút Công suất vào cần thiết trục bơm Mômen truyền động trục bơm Bài 2: Một bơm chuyển dời vị trí với lưu lượng 1l/min bơm vào ống tích lít Nếu cuối ống bị khóa đột ngột, tính tăng áp sau giây Bài 3: Một máy nén cần lưu lượng 200l/min để mở đóng khuôn áp suất lớn 30 bar Hành trình làm việc (khi ép) cần áp suất tối đa 400 bar, lưu lượng khoảng 12 ¸ 20 l/min thỏa mãn hay không? Công suất bơm dịch chuyển vị trí bao nhiêu? 29 ... xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 2.1 KHÍ NÉN 2.1.1 Sản xuất khí nén Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, nguồn khí phải sản xuất thường... lý khí nén 20 Chương – Sản xuất & phân phối nguồn lượng ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Khí nén tạo từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn mức độ khác Chất bẩn bụi, độ ẩm không khí hút vào,... tử khí nén Đặc biệt sử dụng khí nén hệ thống điều khiển đòi hỏi chất lượng khí nén cao Mức độ xử lý khí nén tùy thuộc vào phương pháp xử lý Trong thực tế người ta thường dùng lọc để xử lý khí nén