BÀI GIẢNG SỐ 1 SỐ TIẾT : Tự học I. TÊN BÀI GIẢNG : Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN II. MỤC TIÊU : SV nắm được lịch sử ra đời, các đặc điểm, khả năng ứng dụng của các hệ thống khí nén. III. ĐỒ DÙNG VÀ PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC - Giáo trình Khí nén - Điện khí nén ĐHCNTPHCM - Giáo trình Hệ thống điều khiển bằng khí nén - Nguyễn Ngọc Phương - Máy chiếu projector IV. NỘI DUNG BÀI GIẢNG 1.1VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN : Ứng dụng của khí nén đã có từ thời trước công nguyên. Ví dụ: nhà triết học người Hy Lạp Ktesibios (năm 140, trước công nguyên) và học trò của ông Heron (năm 100, trước công nguyên) đã chế tạo ra thiết bò bắn tên hay ném đá (hình 1.1). Dây cung được căng bằng áp suất khí trong 2 xilanh thông qua 2 đòn bẩy nối với 2 pittông của 2 xi lanh đó. Khi buông dây cung ra, áp suất của không khí nén giản ra, tăng vận tốc bay của mũi tên. Sau đó một số phát minh sáng chế của Klesibios và Heron, như: thiết bò đóng mở cửa bằng khí nén; bơm; súng phun lửa được ứng dụng. Khái niệm “Pneumatica” cũng được dùng trong thập kỷ này. Tuy nhiên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu……còn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của khí nén rất còn hạn chế. Mãi cho đến thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Otto Von Guerike (1602-1686), nhà toán học và triết học người pháp Blaise Pascal (1623-1662), cũng như nhà vật lý người Pháp Denis Papin (1647-1712) đã xây dựng nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén. Trong thế kỷ19, các máy móc thiết bò sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh như : thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835) của Josef Ritter (Austria), phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861). Trong lónh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sỹ(1857) lần đầu tiên người ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ 19 xuất hiện ở Pari một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén lớn với công suất 7350KW. Khí nén được vận chuyển tới nơi tiêu thụ trong đường ống với đường kính 500 mm với chiều dài nhiều km . Tại đó khí nén được nung nóng Hình 1.1 Thiết bò bắn tên lên nhiệt độ từ 50 0 C đến 150 0 C để tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bò búa hơi… 1.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN: 1.2.1 Trong lónh vực điều khiển: Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 này, là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản xuất; kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lónh vực khác nhau. Chỉ riêng ở Cộng Hoà Liên Bang Đức đã có 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử bằng khí nén. Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lónh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bò phun sơn, các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo, hoặc là được sử dụng cho lónh vực các thiết bò điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra các hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động; trong các thiết bò vận chuyển và kiểm tra của thiết bò lò hơi, thiết bò mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hoá chất. 1.2.2 Hệ thống truyền động: - Các dụng cụ, thiết bò máy va đập. - Các thiết bò, máy móc trong lónh 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 một công 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 giảm 30% so với động cơ điện có cùng một công suất. Những dụng cụ vặn vít từ M1 đến M300 : máy khoan, công suất khoảng 3,5KW; máy mài, công suất khoảng 2,5kw cũng như những máy mài có công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000vòng/phút 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 chuyển động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt các chi tiết, trong các thiết bò đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bò làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô . Trong các hệ thống đo và kiểm tra : Dùng trong các thiết bò đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. 1.2.3 ƯU NHƯC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 1.2.3.1 Ưu điểm: Do khả năng chòu nén (đàn hồi) lớn của không khí, cho nên có trích chứa khí nén một cách thuận lợi. Như vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén. Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít. Đường dẫn khí nén ra (thải ra) không cần thiết (ra ngoài không khí). Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí đã có sẵn. Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được bảo đảm. 1.2.3.2 Nhược điểm: Lực truyền tải trọng thấp. Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện chuyển động thẳng hoặc quay đều. Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn. Hiện nay, trong lónh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện, điện tử. Cho nên rất khó xác đònh một cách chính xác, rõ ràng ưu, nhược điểm của từng hệ thống điều khiển. Tuy nhiên có thể so sánh một số khía cạnh, đặc tính của truyền động bằng khí nén đối với truyền động bằng cơ, bằng điện. 1.2.4 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN Kí hiệu(+), (=), (-), có nghóa là: thích hợp hơn/bằng/ít hơn so với truyền động bằng khí nén. 1.2.4.1 Độ an toàn khi quá tải : Khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn, thì truyền động vẫn an toàn, không có sự cố hay hư hỏng xảy ra. Truyền động điện – cơ (-), truyền động bằng thuỷ lực (=), truyền động bằng cơ (-). 1.2.4.2 Sự truyền tải năng lượng: Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền tải bằng khí nén tương đối thấp. Truyền tải năng lượng điện (+), truyền tải thuỷ lực (-), truyền tải bằng cơ (-). 1.2.4.3 Tuổi thọ và bảo dưỡng: Hệ thống điều khiển và truyền động bằng khí nén hoạt động tốt. Khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây nên ảnh hưởng đối với môi trường tuy nhiên hệ thống đòi hỏi rất cao vấn đề lọc chất bẩn của áp suất không khí trong hệ thống. Hệ thống điện - cơ (-/=), hệ thống cơ (-), hệ thống thuỷ lực (=), hệ thống điện (+). 1.2.4.4 Khả năng thay thế những phần tử, thiết bò: Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế những phần tử dễ dàng. Điều khiển bằng điện (+), hệ thống điều khiển cơ (-), hệ thống điều khiển bằng thủy lực (=). 1.2.4.5 Vận tốc truyền động : Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nửa khả năng giản nở của áp suất khí lớn, nên truyền động có thể đạt được vận tốc rất cao. Điện – cơ (-), cơ (-), thuỷ lực (-). 1.2.4.6 Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất: Truyền động bằng khí nén có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách đơn giản. Tuy nhiên với sự thay đổi tải trọng tác động, thì vận tốc bò thay đổi. Điện – cơ (-), cơ (-), thuỷ lực (+). 1.2.4.7 Vận tốc truyền tải Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm. 1.3 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN : 1.3.1 – Áp suất: Đơn vò cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal 1. Pascal là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích 1m 2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N) 1 Pascal (Pa) =1 N/m 2 1 Pa = 1 kg m/s 2 /m 2 = 1kg/ms 2 Trong thực tế người ta dùng đơn vò bội số của Pascal là Megapascal (MPa). 1 MPa = 1.000.000Pa Ngoài ra còn dùng đơn vò bar: 1 bar = 10 5 Pa = 100.000Pa 1 kp/cm 2 = 0,980665 bar = 0,981 bar 1 bar = 1,01972kp/cm 2 = 1,02 kp/cm 2 Trong thực tế người ta coi 1 bar = 1 kp/cm 2 = 1 at Ngoài ra một số nước (Anh, Mỹ) còn sử dụng đơn vò đo áp suất: Pound (0,45336kg) per square inch (6,4521 cm 2 ) Kí hiệu lbf/in 2 (psi) 1 bar = 14,5 psi 1psi = 0,06895 bar Theo hình 1.2 thì áp suất ghi trên tất cả các thiết bò khí nén là hiệu áp suất của áp suất tuyệt đối và áp suất khí quyển. 1 atm 1,033 at 1,013 bar 2 bar p suất tuyệt đối 1 at 1 kp/cm 2 1 bar 0.5 bar Áp suất khí quyển Áp suất chân không Chân không tuyệt đối Áp suất dư Bảng 1.2 Biểu thò các mối tương quan của các đơn vò đo áp suất khác nhau (theo DIN ) BẢNG 1.2 p suất Pa Bar mbar At kp/cm 2 Mmws Kp/m 2 Torr Mmhg psi atm 1 Pa 1 N/m 2 1 1,000.10 -5 1,000.10 -2 1,02.10 -5 0,102 7,50.10 3 1,45.10 -4 0,987.10 -5 1 bar 1,000.10 5 1 1,000.10 3 1,02 1,02.10 4 0,75.10 3 1,45.10 0,987 1 mbar 1,000.10 2 1,000.10 -3 1 1,02.10 -3 1,02.10 0,75 1,45.10 -2 0,987.10 -3 1 at 1 kp/cm 2 0,981.10 5 0,981 9,81.10 2 1 1,000.10 4 7,36.10 2 1,42.10 -2 0,987 1 mmWS 1 kp/m 2 9,81 0,981.10 -4 9,81.10 -2 1,000.10 -4 1 7,36.10 -2 1,42.10 -3 9,68.10 -5 1 mmHg 1 torr 1,33.10 2 1,33.10 -3 1,33 1,36.10 -3 1,36.10 1 1,934.10 -2 1,32.10 -3 1 psi 6,985.10 3 6,985.10 -2 6,985.10 7,033.10 -2 7,033.10 2 5,171.10 1 6,805.10 -2 1atm 1,013.10 5 1,013 1,013.10 3 1,033 1,033.10 4 7,6.10 2 1,469.10 -2 1 1.3.2 Công suất: Đơn vò của công suất là Watt 1 Watt là công suất, trong thời gian 1 giây sinh ra năng lượng 1 Joule. 1w = 1 Nm/s = 3 2 s kgm Bảng 1.5 biểu thò mối quan hệ giữa các đơn vò đo về công suất (theo DIN) w kw Kpm/s ps Kcal/s Kcal/h 1 10 -3 0,102 1,36.10 -3 2,39.10 -4 0,86 10 3 1 102 1,36 0,239 860 9,81 9,81.10 -3 1 1,33.10 -2 23,45.10 -4 8,43 735,5 0,7355 75 1 0,1757 622 4187 4,19 427 5,69 1 3600 1,16 1,16.10 -3 0,119 1,58.10 -3 2,78.10 -4 1 Bảng 1.5 . torr 1, 33 .10 2 1, 33 .10 -3 1, 33 1, 36 .10 -3 1, 36 .10 1 1,934 .10 -2 1, 32 .10 -3 1 psi 6,985 .10 3 6,985 .10 -2 6,985 .10 7,033 .10 -2 7,033 .10 2 5 ,17 1 .10 1 6,805 .10 -2 1atm 1, 013 .10 5 1, 013 1, 013 .10 3 1, 033 1, 033 .10 4 7,6 .10 2 1, 469 .10 -2 1 1.3.2. 1, 000 .10 -5 1, 000 .10 -2 1, 02 .10 -5 0 ,10 2 7,50 .10 3 1, 45 .10 -4 0,987 .10 -5 1 bar 1, 000 .10 5 1 1,000 .10 3 1, 02 1, 02 .10 4 0,75 .10 3 1, 45 .10 0,987 1 mbar 1, 000 .10 2 1, 000 .10 -3 1 1,02 .10 -3 1, 02 .10 0,75 1, 45 .10 -2 0,987 .10 -3 1. 1, 45 .10 -2 0,987 .10 -3 1 at 1 kp/cm 2 0,9 81. 10 5 0,9 81 9, 81. 10 2 1 1,000 .10 4 7,36 .10 2 1, 42 .10 -2 0,987 1 mmWS 1 kp/m 2 9, 81 0,9 81. 10 -4 9, 81. 10 -2 1, 000 .10 -4 1 7,36 .10 -2 1, 42 .10 -3 9,68 .10 -5 1 mmHg 1 torr 1, 33 .10 2 1, 33 .10 -3 1, 33