Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử BÀI 1.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN Mơc tiªu cđa bµi: - Trang bị cho học viên¸ kiến thức chung sở lý thuyết điều khiển khí nén u cầu học viên nắm vững qúa trình, ngun lý làm việc khí nén ứng dụng chúng cơng nghiệp I Đơn vị đo hệ thống điều khiển áp suất : Đơn vị áp suất theo Hệ đo lường SI Pascal Một Pascal áp suất phân bố lên bề mặt có diện tích m2 với lực tác động vng góc lên bề mặt Newton (N) Pascal (P) = N/m2 Pa = kg m/s2/m2 = kg/ms2 Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số Pascal Megapascal (MPa) Mpa = 000 000 Pa Ngồi dùng đơn vị bar: bar = 105 Pa =100000 Pa đơn vị kp/cm2 kp/crn2 = 0,980665 bar = 0,981 bar bar = 1,01972 kp/crn2 = 1,02 kp/cm2 Trong thực tế thường chọn: bar = kp/cm2 = at Ngồi số nước (Anh, Mỹ) sử dụng đơn vị đo áp suất: Pound (0,45336 kg) per square inch (6,4521 cm2) Ký hiƯu lbf/in2 (psi) bar = 14,5 psi psi = 0,06895 bar áp suất dư áp suất khí áp suất chân khơng chân khơng tuyệt đối Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Theo hình áp suất ghi tất thiết bị khí nén hiệu áp suất áp suất tuyệt đối áp suất khí Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Bảng 1.2 biểu thị mối tương quan đơn vị đo áp suất khác Bảng 1.2 áp suất Pa bar mbar at mmWS Torr kp/cm kp/m psi atm mm Hg Pa 1 N/m2 1,000.1 1,000.1 1,02.10- 0,102 7,50.1 1,45.10-4 0,98 0-5 0-3 0-2 7.105 bar 1,000.1 05 03 mbar 1,000.1 1,000.1 02 1,02.104 0,75.1 1,45.10 1,000.1 1,02 03 0-3 0,98 1,02.10- 1,02.10 0,75 1,45.10-2 0,98 7.103 at 0,981.1 0,981 9,81.102 1kp/cm 05 1,000.1 7,36.1 1,42.10 0,98 04 02 1mmW 9,81 S 0,981.1 9,81.10- 1,000.1 0-4 0-4 7,36.1 1,42.10-3 9,68 0-2 10-5 kp/m2 1mmH 1,33 g 102 1,33.10-3 1,33 1,36.10- 1,36.10 1,934.10 1,32 -2 10-3 Torr psi 6,895.1 6,895.1 6,895.1 7,033.1 7,033.1 5,171 03 0-2 0-2 02 10 6,80 5.102 atm 1,013.1 1,013 1,013.1 1,033 1,033.1 7,6.102 1,469.10 05 03 04 Lực Đơn vị lực Newton (N) Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Newton (N) lực tác động lên đối trọng có khối lượng kg với gia tốc m/s2 N = kg 1m/s2 Ngồi đơn vị Newton (N) người ta sử dụng số đơn vị đo khác lực Bảng 1.3 biểu thị mối liên hệ đơn vị đo lực Bảng 1.3 N dyn kp Mp p 105 0,102 1,02.10-4 102 Đơn vị 10-5 1,02.10-6 1,02.10-9 1,02.10-3 cơng 9,81 9,81.105 10-3 103 Joule 9,81.103 9,81.108 103 106 (J) 9,81.10-3 981 10-3 10-6 Cơng Bảng 1.4 Joule (J) cơng sinh tác động lực N để vật thể dịch chuyển quảng đường m J = Nm J erg kpm kWh kcal eV 107 0,102 2,78.10-7 2,39.10-4 6,24.1018 10-7 1,02.10-8 2,78.10-14 2,39.10-11 6,24.1011 9,81 9,81.107 2,72.10-6 2,34.10-3 6,12.1019 3,60.106 3,60.1013 3,67.105 860 2,25.1025 4187 4,19.1010 427 1,16.10-3 2,61.1022 1,6.10-19 1,6.10-12 1,63.10-20 4,45.10-26 3,83.10-23 Bảng 1.4 biểu thị mối liên hệ đơn vị đo cơng Cơng suất Watt cơng suất, thòi gian giây sinh lượng J Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử W = Nm = m 2kg s3 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Bảng 1.5 W kW kpm/s PS kcal/s kcal/h 10-3 0,102 1,36.10-3 2,39.10-4 0,86 Bảng 103 102 1,36 0,239 860 1.5 9,81 9,81.10-3 1,33.10-2 biểu thị 735,5 0,7355 75 0,1757 622 mối 4187 4,19 427 5,69 3600 liên hệ 1,16 1,16.10-3 0,119 1,58.10-3 2,78.10-4 8,43 đơn vị đo cơng suất Độ nhớt động học khơng có vai trò quan trọng hệ thống điều khiển khí nén Độ nhớt động học Chủ yếu hệ thống điều khiển thủy lực Đơn vị độ nhớt động học m2/s 1m2/s độ nhớt động học chất lỏng có độ nhớt động Pa.s khối lượng riêng kg/m3 ν= η ρ Trong đó: η độ nhớt động[Pa.s] ρ khối lượng riêng [kg/m3] ν độ nhớt động học [m2/s] Ngồi người ta sử dụng đơn vị đo độ nhớt động học Stokes (St) Centistokes(cSt) Nhiệt độ t0 C II Cơ sở tính tốn khí nén Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Thành phần hố học khí nén Ngun tắc hoạt động thiết bị khí nén khơng khí khí đươc hút vào nén máy nén Sau áp suất khí nén từ máy nén khí đưa vào hệ thống khí nén Khơng khí loại hổn hợp bao gồm thành phần chính, xem bảng sau Ngồi thành phần ,trong khơng khí có nước ,bụi , Chính thành phần gây cho thiết bị khí nén ăn mòn , gỉ N2 O2 Ar CO2 H2 Ne.10- He.10-3 Kr.10-3 X.1 Thể tích % Khối lượng % 0,93 0,03 0,01 1,8 0,5 0,1 75,51 23,01 1,286 0,04 0,001 1,2 0,07 0,3 40 78,08 20,95 Phải có biện pháp hay thiết bò đểå loại trừ giới hạn mức thấp thành phần hệ thống , xem phần Nr Đại lượng vật lý Ký hiệu Giá trị Đơn vị Khối lượng riêng ρn 1,293 kg/m3 Hằng số khí Tốc độ âm R 287 331,2 344 1,004 0,717 1,4 17,17.10- J/kg.K m/s ws Nhiệt lượng riêng cp Số mũ đoạn nhiệt Độ nhớt động K η cv Độ nhớt động học ν Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 13,28.106 Trạng thái tiêu chuẩn DIN1343: T=273K Pa =760Torr =1.013bar Ở nhiệt độ0 C 20 C kJ/kg.K Áp suất số kJ/kg.K thể tích số Pa.s Ghi m /S Ở trạng thái tiêu chuẩn Ở trạng thái tiêu chuẩn Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Phương trình trạng thái nhiệt động học: Giả thiết khí nén hệ thống gần lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng qt khí nén : pabs V= m.R.T (1.6.1) pabs [bar] áp suất tuyệt đối [m3 ] V thể tích khí nén m [kg] R [J/kg.K] T[K] khối lượng số khí nhiệt độ Kelvin  Định luật Boyle-Mariotte 8bar P(bar) 3bar 2bar 1 1bar V(dm ) Sự phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ thay đổi Khi nhiệt độ khơng thay đổi (T=hằng số), theo phương trình (1.6.1)ta có: Pabs V=hằng số Trong đó: V1 V2 p1abs p1 [m3 ] thể tích khí nén thời điểm áp suất p2 [m3 ] thể tích khí nén thời điểm áp suất [bar] áp suất tuyệt đối khí nén tích V2 p abs [bar] áp suất tuyệt đối khí nén tích V2 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Theo phương trình (1.6.2)ta viết sau V1 V2 = p abs p1abs (1.6.3) biểu diễn phụ thuộc áp suất vào thể tích nhiệt độ khơng thay đổi đường cong Parabol Nhiệt nén nhiệt giãn nở khơng khí tính theo phương trình ln p1 p2 W = P1 V1 (1.6.4) Định luật Gay-lussac: Khi áp suất khơng thay đổi (p=const),theo phương trình (1.6.1)ta có : V1 T1 = V2 T2 T1 [K]nhiệt độ thời điểm tích V1 T2 [K]nhiệt độ thời điểm tích V2 (1.6.5) p V1 V2 F Sự thay đổi thể tích áp suất số Biểu diễn thay đổi thể tích áp suất số Năng lượng nén lượng giãn nở khơng khí tính theo phương trình (1.6.6): W=p ( V2 -V1 ) (1.6.6)  Định luật Gay-lussac: Khi thể tích V khơng thay đổi, phương trình (1.6.1) viết sau : p1abs p abs T1 T2 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử = (1.6.7) Biểu diễn thay đổi áp suất thể tích số Bởi thể tích V khơng thay đổi, nên lượng nén lượng giãn nở 0: W=0 (1.6.8) V Sự thay đổi áp suất thể tích số  Phương trình trạng thái nhiệt đại lượng áp suất, nhiệt độ thể tích thay đổi: Theo phương trình (1.6.1)ta biến đổi sau : p abs V T = m.R = const p1abs V1 T1 p abs.V2 T2 hay = Khối lượng khơng khí m tính theo cơng thức: m = V.ρ hay V = (1.6.9) (1.6.10) [kg] m ρ (1.6.11) Thay phương trình (1.6.11) vào phương trình (1.6.3) ta có: m m : = p abs : p1abs ρ1 ρ Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 10 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử có điện, khí dẫn từ nhánh trái van 5/2 đẩy xy lanh A đưa chi tiết lên cân thực nhịp 1, đồng thời tiếp điểm thường mở K1 nhánh đóng chuẩn bị cho nhịp Xy lanh A chạm cơng tắc hành trình S2, đóng mạch nhánh rơle K2 có điện, tiếp điểm thường mở K2 nhánh đóng làm nhiệm vụ trì, tiếp điểm thường đóng K2 nhánh mở, ngắt mạch nhánh rơle K1 điện, tiếp điểm thường mở K1 mở ra, nhịp reset, tiếp điểm thường mở K2 nhánh 22 23 đóng, van điện từ Y2 Y3 có điện, xy lanh A xy lanh B mở khóa cân thực nhịp 2, tiếp điểm thường mở K2 nhánh đóng chuẩn bị cho nhịp Sau xy lanh A , B chạm cơng tắc hành trình S1 S3 đóng điện cho rơle thời gian K3, sau thời gian (cân kiểm), tiếp điểm đóng K3 mở reset nhịp 2, tiếp điểm thường mở K3 đóng,làm nhiệm vụ trì chuẩn bị cho nhịp kế tiếp, đồng thời đóng mạch van điện từ Y4, xy lanh B khóa cân kết thúc nhịp Nhịp thực xy lanh B chạm cơng tắc hành trình S4 đóng điện cho rơle K4, có trường hợp xảy ra: Nếu chi tiết đạt u cầu, nhánh đóng mạch rơ le K5 có điện, tiếp điểm thường mở K5 đóng, van Y5 có điện xy lanh C đẩy chi tiết trở lại băng chuyền, chạm cơng tắc hành trình S6, rơle K6 đóng, reset nhịp 4, xy lanh C thực nhịp 5,sau chạm cơng tắc hành trình S5, rơle K7 đóng, reset nhịp kết thúc chu trình kiểm tra Nếu chi tiết khơng đạt u cầu, cảm biến B đóng mạch nhánh 16, rơle KKT đóng, ngắt mạch nhánh đóng mạch nhánh 17, lúc nhịp nhịp xy lanh D thực hiện, xy lanh D đẩy chi tiết rãnh trượt, chạm cơng tắc hành trình S8, rơle K9 đóng, reset nhịp 4, đồng thời đóng mạch nhánh 28, cuộn từ Y8 đóng, xy lanh D sau chạm cơng tắc hành trình S7, rơ le K7 đóng, reset nhịp kết thúc chu trình kiểm tra Nhịp nhịp thực xy lanh C xy lanh D +Trường hợp nhấn nút SP nút Start, sau nhịp thực hiện, xy lanh C xy lanh D chạm cơng tắc hành trình S5 S7, đóng mạch nhánh 13 14, rơle K7 đóng, tiếp điểm thường mở K7 nhánh đóng, rơle K1 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 282 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử đóng chu trình kiểm tra lặp lại Ấn nút SP, nút ấn mở, mạch hoạt động xong chu trình kết thúc IV.BÀI TẬP TỔNG HỢP TỰ GIẢI Câu 1: Máy đóng dấu hồn thiện sản phẩm Các xy lanh A B bố trí hai phương khơng gian xy lanh A thực việc ép chặt sản phẩm ,xy lanh B đóng dấu cho sản phẩm đẩy sản phẩm vào thùng Trình tự dập thực sau : _Xy lanh A đẩy thùng hàng vào ép chặt thùng hàng _Xy lanh B thực việc đóng dấu cho sản phẩm,sau trở _Xy lanh A trở _Cuối xy lanh B đẩy sản phẩm vào thùng, sau trở chuẩn bị cho chu trình Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 283 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Hãy: 1)Vẽ sơ đồ hành trình bước 2) Lập bảng hệ điều khiển 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngyn lý hoạt động mạch Câu 2: Máy đóng dấu hồn thiện sản phẩm -Các xy lanh A B bố trí hai phương khơng gian xy lanh A thực việc ép chặt sản phẩm ,xy lanh B in lơ gơ dán tem bảo hành cho sản phẩm Trình tự dập thực sau : _Xy lanh A đẩy thùng hàng vào ép chặt thùng hàng _Xy lanh B thực việc in lơ gơ cho sản phẩm,sau trở _Xy lanh B đóng dấu cho sản phẩm,sau trở _Cuối xy lanh A trở chuẩn bị cho chu Hãy: 1)Vẽ sơ đồ hành trình bước 2) Lập bảng hệ điều khiển 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 284 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 285 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 286 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 287 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 288 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Câu 10 : Cho sơ đồ hành trình bước cấu điều khiển hình sau, hãy: 1) Lập bảng hệ điều khiển 2) Chia tầng 3)Viết hàm 4)Thiết kế mạch điện khí nén theo tầng vừa chia 5)Giải thích ngun lý hoạt động mạch Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 289 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật điều khiển khí nén thủy lực TS: Huỳnh Nguyễn Hồng TS: Nguyễn Ngọc Phương Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 290 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử MỤC LỤC Trang Bài 1:Cơ sở lý thuyết khí nén I.Đơn vị đo hệ thống điều khiển 1 Áp suất Lực Cơng Cơng suất Độ nhớt động học II.Cơ sở tính tốn khí nén 1.Thành phần khí nén Phương trình trạng thái nhiệt động học 3.Ví dụ ứng dụng 11 III.Khả ứng dụng 12 1.Trong lĩnh vực điều khiển 12 2.Hệ thống truyền động 12 Ưu nhược điểm hệ thống truyền động khí nén 13 Bài 2: Máy nén khí xử lý khí nén 15 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 291 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử I.Máy nén khí 15 ngun tắc hoạt động 15 Phạm vi ứng dụng loại máy nén khí 16 17 3.máy nén khí kiểu pittơng máy nén khí kiểu cánh gạt 19 máy nén khí kiểu trục vít 19 II.Thiết bị xử lý khí nén 20 1.u cầu khí nén 20 2.Các phương pháp xử lý khí nén 27 3.Bộ lọc 27 Bài 3.Thiết bị phân phơi va cấu chấp hành 31 I.Hệ thống thiết bị phân phối khí nén 31 1.u cầu 31 2.Bình trích chứa 32 3.Mạng đường ống 32 II.Cơ cấu chấp hành 42 Xy lanh 42 2.Xy lanh quay ray 45 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 292 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 3.Phần tử đệm kín xy lanh 45 Bài 4.Các phần tử hệ thống điều khiển 46 I Khái qt q trình điều khiển 46 II.Các phần tử điều khiển khí nén 48 1.Van đảo chiều 48 Van chắn 54 3.Van tiết lưu 57 Rơ le áp suất 58 5.Van chân khơng 59 6.Cảm biến 60 Bài 5.Bài thực hành lắp mạch khí nén 63 I Thiết kế mạch 63 II.Thực hành lắp ráp 68 Bài 6.Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén 68 Phần A Mạch khí nén 68 Điều khiển theo tầng 68 2.Điều khiển theo nhịp 76 3.Chọn chế độ làm việc 79 Bài tập ứng dụng 81 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 293 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 4.1 Phần tập ứng dụng phần tử khí nén 81 4.2 Bài tập thiết kế theo tầng 86 4.3.Bài tập thiết kế theo nhịp 102 4.4 Bài tập tổng hợp 108 Phần B Mạch khí nén 113 I.Khái niệm q trình điều khiển 113 1.Hệ thống điều khiển 113 2.Kiến thức điện kỹ thuật 116 3.Các phần tử điện 122 4.Cảm biến 129 5.Các phần tử khác 133 6.Van đảo chiều nam châm điện 133 7.Rơ le áp suất 136 II.Phần tử mạch lơ gic 137 Phần tử Not 137 Phần tửAND 138 Phần tử NAND 139 Phần tử OR 139 Phần tử NOR 140 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 294 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 6.Phần tử XOR 140 7.Phần tử OR/NOR 141 III.Lý thuyết đại số Boole 142 1.Quy tắc đại số boole 142 2.Ví dụ ứng dụng đại số boole 146 IV Biểu đồ karnaugh 153 1.Khái niệm 153 2.Một số ví dụ 155 V.Phần tử nhớ 169 Bài 7.Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén I.Biểu diễn chức qúa trình điều khiển 169 1.Biểu đồ trạng thái 169 2.Sơ đồ chức 171 3.Lưu đồ tiến trình 175 II.Các phương pháp điều khiển 177 1.Mạch điều khiển theo nhịp 177 2.Phương pháp điều khiển theo tầng 180 III.Bài tập thiết kế mạch điều khiển điện khí nén 189 1.Bài tập thiết kế vận dụng phần tử 189 Bài tập thiết kế mạch điều khiển theo tầng 195 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 295 Trường Cao đẳng - Khoa Điện - Điện tử 3.Bài tập thiết kế mạch điều khiển theo nhịp 205 IV.Bài tập tổng hợp tự giải 209 Giáo trình: Điều khiển điện khí nén 296 [...]... ngng t s t c l + 200 C Bỡnh ngng t: 1 Van an ton 2 H thng ng dn nc lm lnh 3 Nc lm lnh c dn vo 4 ỏp sut khớ sau khi c lm lnh 5 Tỏch nc cha trong ỏp sut khớ 6 Nc lm lnh i ra 7 ỏp sut khớ c dn vo t mỏy nộn khí A 2 Thit b sy khụ bng cht lm lnh Nguyờn lý hot ng: Nguyờn lý hot ng ca phng phỏp sy khụ bng cht lm lnh, xem hỡnh sau ỏp sut khớ t mỏy nộn khớ s qua b phn trao i nhit khớ - khớ (1) Ti õy dũng khớ nộn