Chương 4

Máy nén khí và quạt gió

TRUYềN Động khí nén

I. Máy nén khí

1. Định nghĩa và phân loại máy nén khí

Những máy để cung cấp khí nén ở áp lực nén cao hơn 0,3 MN/m2 gọi là máy nén khí.

Theo cấu tạo và nguyên lý làm việc người ta chia ra :

 Máy nén pitton

 Máy nén rôto

 Máy nén khí li tâm

Trong các loại máy thì máy nén piston và máy nén li tâm được ứng dụng rộng rãi nhất. Máy nén piston thường ứng dụng trong các hệ thống khí nén cần có

 áp suất lớn (cao hơn 1MN/m2 )

 Sản lượng bé (không quá 1,5  2,5 m3/s)

Máy nén li tâm được dùng lúc yêu cầu

 Sản lượng lớn (lớn hơn 1m3/s )

 áp suất tương đối bé (dưới 0,8 MN/m2 )

Còn máy nén rôto dùng trong các hệ thống khí nén có áp suất trung bình.

Máy nén piston có đặc điểm là

- Có hiệu suất làm việc cao,

- Nhưng nó có nhiều nhược điểm của những máy làm việc theo nguyên lý chuyển động tịnh tiến:

 Kích thước lớn,

 Trọng lượng bệ máy lớn,

 Hạn chế tốc độ,

 Nhạy cảm với nhiệt độ,

 Các chi tiết làm việc bị mòn nhanh .

So với máy nén piston, máy nén li tâm có ưu điểm sau:

 Không yêu cầu bôi trơn bên trong khi không làm nóng dầu nhờn, ít nguy hiểm về gây nổ, chỉ bôi trơn các gối trục nên lượng dầu nhờn tiêu thụ ít.

 Rôto của máy nén khí kiểu li tâm có thể quay nhanh

 Chúng có thể nối trực tiếp với các động cơ quay nhanh như động cơ điện, tuốc bin hơi, tuốc bin khí.

 An toàn, tin cậy, có khối lượng không lớn và cấu tạo đơn giản, bảo đảm tiện lợi lúc sử dụng.

 Không khí nén qua máy nén theo một hướng và đều đặn, nên trong trang bị của nó không dùng cơ cấu đảo chiều giữa các cấp và sau buồng nén.

 Yêu cầu một chỗ lắp ráp không lớn lắm.

Máy nén li tâm có một vài nhược điểm là khó nhận được một sản lượng bé lúc tăng áp suất (sản lượng bé yêu cầu vòng quay chậm mà vòng quay chậm không thể cho áp suất cao ) và hiệu suất tác dụng của máy nén li tâm bé hơn máy nén pitton.

2. Máy nén piston

a. Cấu tạo của máy nén khí piston

Các máy nén piston được chế tạo với sự bố trí xi lanh thẳng đứng hay nằm ngang; loại đặt thẳng đứng tiết kiệm diện tích của trạm máy nén và tiện lợi lúc sử dụng và sửa chữa. Nhưng chỉ được dùng trong các máy nén một hoặc hai cấp nén trong một xi lanh máy nén có piston bậc thực hiện nén nhiều cấp trong cùng một blốc xi lanh được chế tạo nằm ngang.

Các cấp nén có thể được thực hiện trong các xi lanh riêng biệt, trong trường hợp này các xilanh được sắp xếp thành dãy với truyền động chung một trục khuỷu.

Về mặt cấu tạo người ta phân biệt loại máy nén có đầu chữ thập và loại máy nén không có đầu chữ thập.

ở các máy nén không có đầu chữ thập vai trò của van trượt được thực hiện bởi pitton. Trong trường hợp này bề mặt xi lanh được kéo dài ra, thường là những máy nén thấp áp với một hoặc hai cấp nén.

Loại máy nén có đấu chữ thập được dùng ở áp suất bất kỳ, nhưng đặc biệt để cho các máy nén áp suất cao và nén nhiều cấp . Điều này được giải thích là không nên để cho bề mặt của piston lĩnh hội một lực nằm ngang có giá trị lớn.

Đây là loại máy nén hai cấp có piston bậc, đặt thẳng đứng, được động cơ lai qua li hợp và được làm mát bằng nước biển

Thường máy nén được lắp bơm bánh răng để bơm dầu nhờn từ các te đi bôi trơn các gối đó. Dầu nhờn để bôi trơn bề mặt xi lanh được cấp bằng một thiết bị đặc biệt là bộ cấp dầu không khí nén sau mỗi cấp đều được làm mát trong bầu làm mát

b. Phân loại máy nén piston

Phụ thuộc vào nguyên lý làm việc, số cấp v.v máy nén piston được phân loại theo các cách sau:

- Theo số hiệu lực, hai hiệu lực.

- Theo cách đặt đường tâm của các xi lanh đặt nằm ngang, thẳng đứng, loại hình sao.

- Theo số cấp: một cấp, hai cấp, nhiều cấp.

- Theo số xilanh: một xi lanh, hai xi lanh, nhiều xi lanh.

- Theo áp suất nén cuối cùng: gồm áp suất thấp, áp suất cao (áp suất cực đại đạt được hiện nay không vượt quá 100 MN/m2 )

- Theo cách làm mát cho máy nén và nén, có làm mát bằng không khí cho các loại máy nén bé, làm mát bằng nước, các sơ mi nước và các bầu làm mát ở các đường dẫn khí giữa các cấp.

- Theo tốc độ quay: Thấp tốc không quá 20 độ/s, trung tốc 20-25 độ/s, cao tốc 45-100 độ/s

- Theo loại chất được nén: không khí, ôxi, ácmôniắcv.v

- Theo cách đặt: đặt cố định, di động.

b.Sơ đồ của một máy nén và biểu đồ chỉ thị lý thuyết của nó được vẽ ở hình 7.2

Chúng ta hãy nghiên cứu thứ tự làm việc của máy nén một xi lanh trên biểu đồ chỉ thị p = f(v) (trong đó và - thể tích gây ra do sự dịch chuyển của pitton trong xi lanh, thể tích này phụ thuộc vị trí của piston)

Khi chuyển động từ vị trí tận cùng ở bên phải qua bên trái piston nén khí ở trong xi lanh. Van hút đóng trong suốt quá trình nén. Van đẩy đóng cho đến khi độ chênh áp suất trong xi lanh và cột áp của mối nối khắc phục được sức căng lo xo, khi đó van đẩy mở và piston đẩy khí vào đường ống đẩy. Quá trình tăng áp được mô tả trên biểu đồ bằng đường 1-2, còn quá trình cấp khí mô tả bằng đường 2-3.

Nếu p2 là áp suất trong xi lanh khi cấp khí nén, thì thể tích khí được máy nén cung cấp ở áp suất đó là Vc.

Khi nén, nhiệt độ của khí tăng lên bởi vì nước làm mát không thể lấy toàn bộ nhiệt sinh ra khí nén. đường nén khí là đường đa biến được vẽ trên toạ độ P - V bằng phương trình.

PVn = const (7.1)

Đường cấp 2 - 3 theo lý thuyết là đường đẳng áp

P2 = const (7.2)

Trong thực tế do sự ảnh hưởng quán tính của khối khí, do sự tác dụng của van và lò xo của van nên áp suất cấp khí nén không được duy trì, không đổi như theo lý thuyết. Khi pitton đi đến tột cùng bên trái, nó không thể đẩy hết khí trong xi lanh ra mà một phần khí với thể tích VT còn lại trong xi lanh, đầu hành trình tiếp đó của piston van đẩy được đóng lại và khí thừa trong không gian không làm việc có thể tích là VT sẽ dần nở theo đường 3-4.

Đường dãn nở là đường đa biến với chi số nđ

(7.3)

Sự dãn nở khí xảy ra cho đến khi áp suất trong xilanh dãn đến P1 ( với Po - áp suất không gian mà máy nén khí hút khí). Được sự tác động của độ chênh áp suất Po - P1 và sức tăng của lò xo, van hút được mở ra và piston tiếp tục chuyển động qua phải sẽ hút khí vào xi lanh. áp suất P1 luôn nhỏ hơn áp suất Po vì sức cản của khí trên đường hút. Quá trình hút là quá trình 4-1.

Hình khép kín nhận được: 1-2-3-4-1 là biểu đồ chi thị lý thuyết của một máy nén.

Biểu đồ chỉ thị thực tế có khác chút ít so với biểu đồ chỉ thị lý thuyết (chủ yếu ở các đường hút và cấp khí nén). Điều khác nhau này được giải thích do điều kiện trao nhiệt của các thời kỳ khác nhau trong chu trình có khác nhau.

Trong các máy nén piston quá trình nén và dãn nở phụ thuộc vào sự trao nhiệt giữa khí và bề mặt bên trong của xi lanh. Trong phần lớn các máy nén piston đều được dùng nước làm mát. Nếu đảm bảo cường độ trao nhiệt thì quá trình nén và dãn nở là các quá trình đa biến với chỉ số đa biến là n = 1,35 và nđ = 1,2 (cho khí hai nguyên tử). Trong các máy nén nếu làm mát khí nén kém thì quá trình nén có thể là quá trình đoạn nhiệt hoặc là quá trình đa biến với số mũ là n >k.

c .Công nén, Công suất và hiệu suất của máy nén một cấp

• Công nén: Công nến riêng là công tiêu tốn để nén 1 kg khí từ áp suất P1 lên P2

Tính toán chính xác chu trình công tác của máy nén thực hiện theo phương trình nhiệt động của khí thực.

-Quá trình nén là đoạn nhiệt thì công nén:

Thay R=Cp-Cv và k=Cp/Cv ta có:

Lk=Cp(T2-T1) = i2-i1

i1 và i2: Entanpi của khí ở đầu và cuối quá trình nén đoạn nhiệt

-Quá trình nén đa biến: Các công thức giống trên nếu thay số mũ nén đoan nhiệt bằng k số mũ nén đa biến n

• Công suất của máy nén một cấp: Công suất nén lý thuyết Nlt của máy nén cũng là công suất chỉ thị Nilt

Nlt = GltLlt = ủ Llt

ủ:Khối lượng riêng của khí đầu quá trình nén

Vq: Thể tích công tác của xy lanh

Khi tính đến tổn thất thể tích thì thể tích khí mà máy nén hút và nén thực là:

Vt = ởVq

ở=ở1 ở2 ở3 ở4

ở: Hệ số cấp

ở1: Hệ số tính đến ảnh hưởng của không gian có hại đến thể tích hút của máy nén

ở2: Hệ số tính đến ảnh hưởng của quá trình trao đổi nhiệt giữa khí và thành vách xy lanh

ở3: Hệ số tính đến ảnh hưởng của độ kín khít các van hút và xả cũng như sự đóng mở đúng lúc của chúng.

ở4: Hệ số tính đến ảnh hưởng độ kín khít của các xéc măng, của zoăng nắp xy lanh, zoăng kín của các van và nắp xy lanh.

Với các máy nén hiện đại thì ở1= 0.7-0.9; ở2=0.9-0.95; ở3= 0.95-0.98; ở4=0.98-0.99

Công suất thực: Nt=VqPi

Pi: áp suất chỉ thị trung bình

• Hiệu suất của máy nén

Ngoài tổn thất năng lượng do sai khác giữa quá trình thực với quá trình lý thuyết còn có tổn thất do ma sát giữa các chi tiết chuyển động:

N: Công suất trên trục của máy nén (công suất làm việc)

Hiệu suất chung của máy nén: ỗ =ỗiỗc

e. Nén nhiều cấp

Lúc bị nén, nhiệt độ của khí tăng lên, trong bảng 7.1 cho biết nhiệt độ cuối của không khí lúc nén ở các điều kiện khác nhau trong một máy nén có D = 0,7 m, từ nhiệt độ ban đầu t1 = 200C.

Như vậy, máy nén bôi trơn bằng dầu nhờn có nhiệt độ bốc cháy là 2200 - 2600C thì nhiệt độ khí nén nhận được 2200 - 2700C, lúc  =8 là nguy hiểm. Sự phóng điện của một điểm thì không cao lắm xuất hiện trong các phần dẫn của máy nén có thể làm cháy các lớp rò rỉ và sau đó khi hơi dầu trong không khí đủ nồng độ đậm đặc thì có thể làm nổ máy nén.

Bảng 7.1

Nhiệt độ không khí sau khi nén 0C

Nén đoạn nhiệt Nén đa biến với làm mát xilanh Nén đa biến với làm mát xi lanh và làm mát nắp xi lanh

2

4

6

8 85

165

220

263 64

129

181

220 52

99

136

170

Thể tích giới hạn tỉ số nén trong máy nén một xi lanh hiện nay là bao nhiêu?

Hiện nay, các máy nén có thể làm mát bằng nước, tỉ số nén cao nhất của máy nén một xi lanh với  = 7 gặp rất ít. Các máy nén do Liên Xô sản xuất có . Nếu tỉ số nén vượt quá  = 7 thì quá trình nén được tiến hành trong một số cấp áp suất liên tục và khi khí nén đi từ cấp máy này đến cấp máy khác thì được làm mát trung gian.

Sơ đồ nguyên lý của máy nén được cho ở hình 7.3

Nếu gọi z là số cấp của máy nén,  là tỉ số nén thì sự tương ứng giữa hai thông số này như sau:

Z 

đến 6

6  30

30  100

100  150

lớn hơn 100 1

2

4

5

6 và hơn

Nén nhiều cấp với sự làm mát trung gian làm cho quá trình công tác của máy nén gần với quá trình đẳng nhiệt, bởi vậy ở một tỉ số nén cho biết dùng nhiều cấp sẽ tiết kiệm được công suất của động cơ truyền động. Để rõ điều nói trên ta hãy khảo sát biểu đồ p-v và T-s của máy nén ba cấp có làm mát xilanh và làm mát trung gian bằng nước.

Giả sử một máy nén khí từ áp suất p đến áp suất pk trong một cấp (hình 7.3), biểu đồ công của máy nén này được vẽ bằng đường 1-2-3-4-1.

Nếu ta nén để đạt áp suất pk trong máy nén ba cấp thì chia ra áp suất trung gian p0 và nén trong cấp thứ nhất theo đường đa biến 1-2' ở trạng thái 2', khí được đưa vào bầu làm mát và được làm mát đẳng áp. Nếu thực hiện làm mát đến nhiệt độ ban đầu thì điểm kết thúc quá trình làm mát sẽ là điểm 1', điểm này nằm trên đường đẳng nhiệt 1-1 qua trạng thái ban đầu. ở trạng thái chỉ bằng điểm 1' với thể tích 1'-3' khí bắt đầu được nén trong cấp thứ hai theo đường 1'-2'' đến áp suất p2.

Biểu đồ của máy nén ba cấp giới hạn bởi đường gấp khúc 1-2'-1'-2"-1"-2'''-3'''-4-1.

So sánh biểu đồ công của máy một cấp, ta thấy máy nén nhiều cấp giảm công chỉ thị so với máy nén một cấp lượng công giảm được thể hiện bởi diện tích 2'-2-2''-1''-2''-1'-2'. Diện tích này được gạch chéo trên hình vẽ. Từ đó ta thấy rõ hiệu quả về mặt năng lượng của máy nén nhiều cấp.

Tóm lại, nếu so với máy nén của một cấp cùng tỉ số nén thì máy nén nhiều cấp có các ưu điểm sau:

• Vừa đảm bảo tỉ số tăng áp cao, vừa đảm bảo bôi trơn tốt;

• Giảm công tiêu thị;

• Tăng hiệu suất thể tích;

Song cũng có một số nhược điểm:

• Cấu tạo trở nên phức tạp, thể tích và trọng lượng tăng lên;

• Làm giảm hiệu suất cơ giới;

• Tăng thêm sức cản lưu thông của dòng khí ở bầu làm mát giữa các cấp ở van hút và van đẩy

Trong máy nén nhiều cấp với số cấp là z khi chia công như nhau cho từng cấp, thì công đẳng nhiệt cho cả máy nén là:

(7.15)

Công suất trên trục của máy nén:

(7.16)

Nếu công của các cấp khác thì công suất trên trục máy nén là công suất của từng cấp.

3. Các loại máy nén nhiều cấp cơ bản

Máy nén có nhiều cấp được chế tạo thành 2 loại chính:

- Loại có các cấp nén khí trong cùng một xi lanh với pitton có nhiều bậc

- Loại với các cấp thực hiện trong các xi lanh riêng biệt đặt gần nhau

a. Máy nén hai cấp kiểu thuận với piton có bậc

Máy nén kiểu này các cấp được đặt dọc theo hai phía của pitton có bậc, cách làm việc được mô tả ở biểu đồ chỉ thị cho hai cấp nén .

Nếu giả thiết rằng máy nén hút không khí từ ngoài trời thì đường ống hút của cấp thứ nhất sẽ ở dưới một ít của đường áp suất khí quyển (1at).

 Lúc pitton di chuyển về phải thì sẽ thực hiện hút trong cấp thứ nhất (đường 4'-1') và nén và cấp trong cấp thứ hai(đường 3'-2'' và 2''-3'').

 Khi pitton bắt đầu chuyển động về bên trái, thì trong cấp thứ nhất nén còn cấp thứ hai dãn nở, quá trình này xảy ra cho đến khi áp suất ở cấp thứ hai sẽ bé hơn P2' ở điểm 4'', lúc đó van hút cấp thứ hai sẽ mở và khi pitton tiếp tục chuyển động về bên trái nó sẽ hút khí từ bầu làm mát sang cấp thứ nhất. Sau đó áp suất trong xi lanh giảm dần. Khi pitton di chuyển đến vị trí thứ hai thì áp suất trong thiết bị làm lạnh đã giảm đủ để mở van đẩy của cấp thứ nhất và khí sẽ qua van vào bầu làm mát vào cấp tứ hai. áp suất khí sẽ thay đổi theo đường 2'-3'

 Khi pitton bắt đầu trở về phải, trong cấp thứ nhất xảy ra sự giãn nở khí theo đường đa biến 3'-4'

Vì thể tích xi lanh của cấp thứ nhất và thứ hai không như nhau vì thế phải vẽ giản đồ có tỷ lệ ở trục hoành khác nhau

Trong máy nén kiểu này, quá trình nén khí trong các cấp thực hiện ở các hành trình khác nhau của pitton. Vì vậy, công của lực trong các phần của hành trình có độ đồng đều khá tốt.

b. Máy nén hai cấp với piston có bậc tác dụng một phía

Điều đặc biệt của máy nén kiểu này là bố trí các cấp về một phía của pitton, điều này sẽ làm cho quá trình hút và cấp trong hai cấp xảy ra đồng thời.

 Bắt đầu từ điểm 3'' , khi pitton chuyển động qua phải, trong cấp thứ hai khí thừa giãn nở đến áp suất P2''.

 Khi pitton chuyển động đến vị trí bằng điểm 4'', thì van hút cấp thứ hai mở và hút khí từ bầu làm mát khí sau cấp thứ nhất.

 Tiếp đó xảy ra quá trình dãn nở khí theo đường đa biến 4''-1'', trong quá trình này áp suất trong cấp thứ hai giảm đến P1''. Tiếp đó khi pitton chuyển qua trái thì khí trong cấp thứ hai được nén theo đường đa biến 1''-2'' và cấp theo đường 2''-3'' vào đường ống đẩy.

 Trong khi đó ở cấp thứ nhất sẽ nén khí theo đường đa biến 1'-2' đến áp suất P'' ở điểm 2'' thì van đẩy của cấp thứ nhất mở và khí được cấp từ đó vào bầu làm mát.

 Quá trình này xảy ra theo đường đa biến 2''-3'' và áp suất được nâng cao từ P1'' đến P2' , khi pitton qua phải thì cấp thứ nhất sẽ giãn nở và hút khí vào xilanh.

Máy nén kiểu này buồng nén và hút của cấp thứ nhất và cấp thứ hai luôn ngăn cách với nhau do các van. Nhưng các quá trình cũng có sự cùng lưu động của khí nén vào cấp nào đó hoặc vào thiết bị làm mát cấp nào đó. Bầu làm mát trung gian ngoài công dụng chính còn có tác dụng là bầu chứa khí của cấp thứ nhất.

Máy nén với pitton bậc tác dụng một phía quá trình nén và cấp xảy ra trong hai cấp cùng một lúc. Do vậy trong các phần của hành trình của máy nén có sự phân bố lực không đều khác nhau nên yêu cầu dùng bánh đà có trọng lượng lớn.

Sơ đồ bố trí loại này thường được dùng trong các tổ hợp với sơ đồ thuận dòng của các máy nén có sơ cấp nhiều hơn hai cấp.

c. Máy nén có piston chuyển động tự do

Trong các máy nén truyền động điện sự biến chuyển động quay của trục thành chuyển động tịnh tiến của piston được thực hiện nhờ cơ cấu biến. Điều đó làm cho cấu tạo của máy nén phức tạp và dẫn đến tăng tổn thất năng lượng.

Ta hãy tìm hiểu cấu tạo của máy nén có pitton chuyển động tự do . Trong các máy nén này, năng lượng nhận được là do sự đốt nhiên liệu trong xilanh và truyền trực tiếp cho pittn của máy nén.Các phần cơ bản của máy nén pitton tự do gồm

1. Xi lanh của động cơ hai thì.

2. Xi lanh của máy nén.

3. Các cấp của máy nén.

Giả sử lúc khởi động pitton nằm ở vị trí ngoài cùng H-H. áp suất p2 của khí nén thừa trong xi lanh của máy nén đẩy làm cho pitton chuyển động theo chiều mũi tên đậm (đi vào), khi đó áp suất trong xi lanh của máy nén giảm theo đường 3-4 đến một vị trí nào đó van hút của máy nén sẽ mở và thực hiện quá trình hút 4-1.

Trong quá trình hút piston sẽ chuyển động theo chiều quán tính và mất dần tốc độ. Đồng thời với quá trình hút của pitton máy nén, ở đầu kia piston động cơ sẽ đóng dần cửa e và nén khí trong xi lanh động cơ theo đường 5-6 thời điểm được đánh dấu trên biểu đồ bởi điểm 6 thì độngcơ được phun nhiên liệu, nhiên liệu tự bốc cháy và áp suất trong xi lanh tăng rất nhanh theo đưòng 6-7. Dưới tác dụng của áp suất khí cháy, pitton sẽ chuyển động theo chiều ngược lại (mũi tên đứt). áp suất trong xi lanh 1 sẽ giảm dần theo đường 7-8, khi đỉnh trong của pitton đến điểm 8 thì bắt đầu mở cửa e để thải khí cháy sau đó quét và hút khí vào xilanh đồng thời trong xilanh 2 của máy nén tiến hành nén khí theo đường 1-2 và tiếp đó tiến hành cấp theo đường 2-3 cho đến lúc piston thôi tác dụng của lực do khí cháy sinh ra và trở lại chu kỳ cũ.

Trong cấu tạo thực tế, những máy nén kiểu này cần có một số cơ cấu phối hợp phức tạp để thực hiện sự chuyển động toàn bộ của các piston .

4. Sản lượng và áp suất của máy nén piston khi làm việc theo hệ thống đường ống

Sản lượng của máy nén với một số xi lanh nào đó có thể xác định theo công thức (7.13) bằng cách thay Vco bằng tổng thể tích của các xi lanh.

Cho biết a, , Vcovà nđ thì sản lượng của máy nén tỉ lệ với trị số vòng quay của trục và đặc tính Q-p là một đường song song với trục p.

Nhưng chỉ số cố định a,Vco và nđ làm việc trong hệ thống có áp suất thay đổi. Theo công thức (7.13) ta thấy áp suất nén càng cao, trị số càng lớn thì sản lượng càng giảm, bởi vậy đường cong cắt trục p, đường này vẽ theo công thức (7.13) bằng cách cho các khác nhau. Khi các trị số vòng quay khác nhau cho ta các đường Q- p khác nhau. Trên hình vẽ đặc tính Q-p cho các loại số vòng quay của máy nén n1, n2, n3.

Sự xác định sản lượng và áp suất của máy nén làm việc trong một hệ thống đường ống cho biết, được tiến hành theo phương pháp đồ thị. Điều này có thể thấy rõ ràng trên đồ thị hình 7.7 trong quan hệ giữa đặc tính của mạng đường ống.

5. Điều chỉnh sản lượng của máy nén piston

Sự tiêu dùng khí ở hệ thống ống dẫn theo điều kiện yêu cầu có thể thay đổi, bởi vậy máy nén cần thay đổi sản lượng ra sao để phù hợp với lượng khí tiêu thụ ở hệ thống khi đó áp suất theo yêu cầu trong mạng cần duy trì. Sự điều chỉnh sản lượng như vậy được gọi là điều chỉnh áp suất không đổi.

Nhiệm vụ điều chỉnh chính là gây tác động vào máy nén đề điều hoà sản lượng của máy nén với lượng chi phí khí nén trong hệ thống.

Hệ thống điểu chỉnh cần đảm bảo cho máy nén làm việc kinh tế ở mọi chế độ điều chỉnh có kết cấu đơn giản và có thể làm việc tự động.

Xung lượng ban đầu để điều chỉnh trường là do sự thay đổi áp suất trong mạng, do sự thay đổi sự tiêu thụ khí yêu cầu trong các hệ thống điều chỉnh tốt, sự thay đổi áp suất có thể rất bé (mười thậm chí đến một phần trăm atmotphe).

Dưới đây chúng ta khảo sát các hệ thống cơ bản về điều chỉnh máy nén .

a. Thay đổi giá trị vòng quay

Từ công thức ta thấy số sản lượng của máy nén có thể thay đổi bằng cánh thay đổi trị số vòng quay của trục máy.

Phương pháp này kinh tế trong khai thác, nhưng yêu cầu động cơ lại phải thay đổi trị số vòng quay.

Dùng động cơ điện 3 pha thực tế không có khả năng thay đổi trị số vòng quay của trục máy nén nếu giữa trục động cơ và máy nén không đưa vào một bộ biến tốc nào đó.

Chỉ trong trường hợp dùng các động cơ điện chuyên dùng với sự điều chỉnh có cấp hay vô cấp độ quay mới có thể nhận được một liên hợp làm việc kinh tế và tiện lợi, nhưng động cơ điện chuyên dùng rất đắt và chủ dùng thích đáng khi công suất lớn và điều chỉnh lớn sản lượng.

Điều chỉnh lớn sản lượng bằng cách thay đổi vòng quay khi truyền động bằng động cơ điện ít được áp dụng.

Phương pháp điều chỉnh này được dùng rộng rãi trong trường hợp máy nén được truyền động bằng máy hơi nước thay đổi động cơ đốt trong, vì các động cơ này thay đổi trị số vòng quay đạt được rất đơn giản.

b. Tiết lưu ở đường ống hút

Nếu trên đường ống hút của máy nén ta thêm vào sức cản phụ thì sản lượng của máy nén sẽ giảm.

Đường 1-2-3-4-1 là biểu đồ biểu thị công chỉ thị khi chưa có sức cản cần điều chỉnh trong ống hút , khi đưa sức cản điều chỉnh vào thì áp suất hút giảm từ P1 đến P1đ/c. Lúc đó quá trình giãn nở sẽ theo đường 3-4 và hút theo đường 4'-1'.

Từ biểu đồ ta thấy thể tích hút vào giảm từ V1 đến V2đ/c, còn thể tích cấp từ V2 giảm xuống V2đ/c

Nên sản lượng máy sẽ giảm xuống, sơ đồ hệ thống điều chỉnh tự động loại này được vẽ ở hình vẽ

Nếu tiêu thụ từ bình khí nén trong mạng giảm thì áp suất trong bình sẽ tăng lên, áp suất đó được truyền qua đường ống 2 vào xilanh cơ cấu pitton 3, áp suất đó có tác dụng vào pitton này nén lên lò xo qua tay đòn vào đống cửa tiết lưu 4, do vậy sản lượng máy nén sẽ giảm cân bằng với mực tiêu thụ lấy từ bình chứa thiết bị điều chỉnh này có thể chỉnh theo sản lượng nhờ sức căng của lò xo của cơ cấu pitton 3. Phân tích giản đồ chỉ thị có thể thấy rằng điều chỉnh tiết lưu để giảm diện tích của biểu đồ thi công chỉ thị  3-2 là vì chỉ ở điều kiện này mới đủ năng lượng thực hiện.

Do đơn giản và tự động làm việc nên phương pháp điều chỉnh được rộng rãi ở các máy nén có tỷ số nén cao.

c. Điều chỉnh bằng tấm ép van hút

Sơ đồ điều chỉnh bằng cách nén van hút được vẽ ở hình (7.9). Nếu ở mọi nơi tiêu dùng giảm chỉ thị áp suất, áp suất trong bình chứa 1 sẽ tăng lên, áp suất tăng được truyền theo ống mạch động 2 đến cơ cấu piston 3 thắng sức cản của lò xo và đẩy piston 4 xuống.

Cán của piston nối với trục mạng 5, các nhánh của mạng này sẽ ngăn cản các tấm cản van hút khi đặt vào đế van, lúc đó quá trình nén và cấp khí sẽ không xảy ra bởi vì van hút, mở và khí từ xi lanh thoát ra vào đường ống hút. Bởi vậy mà không nén và cấp khí vào bình khí nén. Điều này xảy ra cho đến khi áp suất trong bình khí nén giảm, piston đưa mạng 5 về vị trí thường có, làm cho các tấm của van hút đóng lên đế hoàn toàn. Như vậy việc giảm sản lượng của máy nén ở đây đạt được bằng cách ngừng cấp khí nén.

Phương pháp điều chỉnh này rất đơn giản, nhưng hiệu quả về năng lượng của nó thấp bởi vì trong hành trình không tải lúc ngừng cấp vẫn tiêu dùng 15% công suất. Phương pháp điều chỉnh này được ứng dụng cho máy nén có tỷ số nén bất kỳ và sản lượng bất kỳ.

d. Điều chỉnh bằng thay đổi thể tích của không gian thừa

Từ công thức (7.13) ta thấy rõ khi Vco, n và không đổi, có thể thay đổi sản lượng bằng cách thay đổi giá trị của thể tích không gian thừa.

Nếu tăng thể tích không gian thừa đến VTđ/c > VT thì khi đường giãn nở đa biến sẽ vẽ ở hệ toạ độ mới với gốc là 0 sẽ là đường 1-4', và thể tích hút khi tương ứng lúc đó là V1đ/c < V1. Đường đa biến mới 1-2' sẽ tương ứng với thể tích cấp V2đ/c < V2. Về giới hạn, thể tích của không gian thừa có thể tăng cho đến khi đường giãn nở đa biến và đường nén của đa biến trùng nhau và biểu đồ chỉ thị lúc đó là đường 1-3. Lúc đó máy nén không hút và không cấp. Cả hai van đều đóng, sự giãn nở và nén khí sẽ tiến hành với một lượng khí không đổi trong xilanh. Kết cấu của sự điều chỉnh này được chế tạo ở dạng buồng phụ có , dung tích thay đổi hoặc không thay đổi và nối với không gian thừa bằng tay hoặc bằng tự động.

Để thực hiện sự điều chỉnh vô cấp sản lượng, thể tích phụ của không gian thừa được chế tạo ở dạng biến đổi thể tích gồm xilanh và pitton. Phương pháp này rất kinh tế và được dùng rộng rãi ở các máy nén có công suất lớn.

e. Các cách điều chỉnh khác.

Ngoài các cách điều chỉnh kể trên, người ta còn dùng cách điều chỉnh bằng cách sử dụng định kỳ máy nén (khi công suất trên trục dưới 2000KW, nhờ các thiết bị tự động liên hệ giữa các máy nén và người tiêu thụ, điều chỉnh bằng cách dẫn khí từ buồng hút và điều chỉnh bằng cách xả không tải khí nén ra khỏi mạng qua van tự động. Cách điều chỉnh bắng cách dùng định kỳ máy nén rất kinh tế, còn hai cách sau không kinh tế nên không dùng hai cách này.

6. Máy nén rô to

a. Lý thuyết làm việc và sản lư¬ợng máy nén rô to

Máy nén rô to đ¬ược xếp vào loại máy nén thể tích. Hoạt động của máy nén rô to tư¬ơng tự như¬ hoạt động của các bơm rô to.

Máy nén rô to có hai loại: Máy nén cánh gạt và máy nén trục vít.

b. Máy nén cánh gạt

Thiết kế cơ bản của máy nén cánh gạt đ¬ược trình bày trên hình 7.11

Rô to 1 đ¬ược lắp đặt đồng tâm và quay trong vỏ, không khí chứa trong không gian kín 4 đ¬ược tạo bởi các cánh gạt 3 và đư¬ợc dẫn từ khoang hút tới khoang xả của máy nén. Với thiết kế của máy nén như¬ vậy đặc tr¬ưng bởi sự cân bằng thích hợp của các bộ phận chuyển động, một tốc độ quay cao có thể đ¬ược truyền đến rô to của máy nén trực tiếp đ¬ược nối với động cơ điện lai.

Một cánh máy nén cánh gạt khi chạy toả ra một lư¬ợng nhiệt lớn do ma sát cơ khí. Do đó, khi tỷ số nén lớn hơn 1,5 thì vỏ máy nén đư¬ợc làm mát bằng n¬ước.

Máy nén cánh gạt có thể đư¬ợc sử dụng để hút khí hoặc hơi trong những không gian có áp suất nhỏ hơn áp suất môi tr¬ường. Vì vậy nó được xem là một bơm hút chân không. Máy nén cánh gạt có thể tạo ra độ chân không đạt 95%.

Sản l¬ượng của máy nén cánh gạt tuỳ thuộc vào kích th¬ước hình học và tốc độ quay của nó. Giả định rằng các cánh gạt là kiểu hướng kính như¬ hình vẽ, thể tích khí chứa trong không gian giữa hai cánh sẽ là V= f.l trong đó f là diện tích lớn nhất của mặt cắt ngang không gian giữa hai cánh, l là chiều dài của cánh.

Ta có thể tính xấp xỉ bằng công thức:

Do đó: (7.17)

Mặt khác r + e = R và  = 2lz trong đó z là số cánh của máy nén

(7.18)

Theo hình vẽ 7.11 thì thể tích khí giữa các cánh là:

V = 2eRl = (7.19)

Trong một vòng quay của trục máy nén mỗi không gian giữa hai cánh được điền đầy không khí một lần và do đó sản l¬ượng thực tế của máy nén sẽ là:

Q = 2eRl (7.20)

Trong đó vol là hệ số thể tích nằm trong khoảng 0,5 đến 0,8.

Hệ số thể tích phụ thuộc vào sự dò lọt bên trong của không khí qua các khe hở hướng kính và h¬ướng trục, độ dày và số cánh của rô to.

c. Máy nén trục vít

Nguyên lý hoạt động của máy nén trục vít loại hai trục vít đ¬ược thể hiện trên hình vẽ 7.11

Bộ phận chính của máy nén trục vít là hai trục vít có biên dạng thích hợp với nhau, vị trí t¬ương đối của chúng đ¬ược giữ không đổi bằng sự ăn khớp các bánh răng lắp ở cuối các trục. Vì những bánh răng ăn khớp với khe hở nhỏ so với các trục vít, không có ma sát cơ khí giữa các trục vít. Nhóm trục vít là phần tử làm kín và phân phối, chúng tạo ra năng lượng truyền bởi bánh răng điều chỉnh thấp và mài mòn trên chúng nhỏ. Yếu tố này rất quan trọng vì khe hở thích hợp cần đ¬ược duy trì giữa các trục vít ăn khớp nhau.

Khi các trục vít quay và các vấu của một trục vít tuần tự ăn khớp vào rãnh của trục vít kia tạo ra sự hút, nén và xả.

Sản lư¬ợng của máy nén trục vít có thể tính theo công thức:

(7.21)

1 và 2 diện tích rãnh của trục vít thứ nhất và thứ hai

z1 và z2 là số răng của trục vít.

L là chiều dài của trục vít

n là tốc độ quay

vol là hệ số thể tích

Máy nén trục vít đ¬ược chế tạo với vỏ làm mát bằng n¬ước và trục vít đ¬ược làm mát trong.

Khe hở bên trong giữa các trục vít ăn khớp nằm trong khoảng 0,1 đến 0,4 mm. Ma sát cơ khí thấp cho phép máy nén trục vít có thể hoạt động không cần bôi trơn và không khí nén xả ra không bị làm bẩn bởi hơi dầu.

d. Công suất và hiệu suất của máy nén rô to

Công suất của một máy nén rô to làm mát bằng n¬ước được làm mát bằng nư¬ớc có thể tính toán từ công nén đẳng nhiệt:

(7.22)

Trong đó:

P1 là áp suất ban đầu

Q1 là sản lượng trong điều kiện hút

Đối với các máy nén rô to làm mát bằng không khí:

(7.23)

Đối với quá trình nén đoạn nhiệt, công suất đ¬ược xác định bằng công thức:

(7.24)

Đối với máy nén cánh gạt, tích số của các hiệu suất iso.m và a. m tư¬ơng ứng nằm trong các khoảng 0,5 đến 0,6 và 0,6 đến 0,7.

Đối với máy nén trục vít các tích số trên lớn hơn một chút chủ yếu là do không có ma sát cơ khí giữa các trục vít ăn khớp.

e. Điều chỉnh sản lượng của máy nén rô to

Theo công thức tính sản l¬ượng máy nén rô to, sản l¬ượng tỷ lệ với tốc độ quay của trục máy nén. Do đó sản l¬ượng Q có thể điều chỉnh đ¬ược bằng cách thay đổi tốc độ quay n.

Thông th¬ường máy nén cánh gạt đ¬ược nối trực tiếp với mô tơ điện chạy ở những vòng quay 1.450; 960; 735 vòng/phút. Trong tr¬ường hợp này muốn điều chỉnh sản lượng máy nén phải lắp bánh răng tốc độ vào giữa trục mô tơ và trục máy nén.

Máy nén trục vít hoạt động ở vòng quay rất cao khoảng 15000 vòng/phút khi đ¬ược lai bằng tua bin khí. Th¬ường máy nén trục vít đ¬ược thiết kế chạy với vòng quay khoảng 3.000 vòng/phút. Những ph¬ương pháp dùng để điều chỉnh sản l¬ượng máy nén rô to nói chung là tiết l¬ưu tại cửa hút, hồi khí từ đường đẩy về đ¬ường hút máy nén và bật tắt máy nén.

7.1.7 Trạm máy nén

Các máy nén được bố trí đơn chiếc hay thành cụm nhiều máy và được trang bị các thiết bị và phụ tùng phụ cần thiết cho chúng làm việc được bình thường

Trên hình 7.12 vẽ sơ đồ khối lượng của một trạm máy nén. Các trang bị chính của một trạm máy nén gồm: máy nén với động cơ, bầu tách dầu, các bầu làm mát, bình khí nén các trang bị phụ gồm: phin lọc trên đường ống hút của máy nén, van an toàn và dụng cụ đo và kiểm tra.

Mỗi một máy nén có lắp một bình khí nén. Ngoài ra bình khí nén dùng để tách nước và hơi dầu ra khỏi khí nén, để đạt mục đích này người ta đặt thiết bị phân ly. Khi sắp xếp bố trí và vận hành, chú ý để bình khí nén không bị nổ. Các bình làm mát khí được đặt giữa các cấp của máy nén thường lắp thiết bị trao nhiệt có ống nhỏ đặt thẳng đứng hay nằm ngang. Trong các trạm máy nén có sản lượng nhỏ các bầu sinh hàn được sắp xếp ở trên blốc xilanh. Trong các trạm máy nén có sản lượng lớn các bầu làm mát được đặt cạnh máy nén như là một thiết bị đứng riêng.

Để làm sạch khí cấp cho máy nén và để giữ cho các ống dẫn được sạch, trên đường ống hút của máy nén có gắn bầu lọc. Hiện nay các bầu lọc được sử dụng là các bầu lọc lẫn dầu, nó là các bầu hình trụ hay hình hộp kín có nhét đầy vật liệu xốp (phoi kim loại, các vòng bẹt) có tẩm dầu nhờn. Dòng khí đi qua các lớp kim loại này được làm sạch bụi. Sự làm sạch và tái sinh bầu lọc đơn giản , nó tin cậy trong sử dụng. Các bầu tách dầu được đặt giữa các cấp của máy nén sau các bầu làm mát. Công dụng của các bình tách dầu là tách ra khỏi khí nén các hạt dầu lơ lửng đã được sử dụng của cấp trước đó. Bầu tách dầu dựa trên nguyên lý là các phần tử dầu bị tách ra khỏi dòng do lực quán tính xuất hiện khi thay đổi hướng chuyển động của dòng khí. Các thiết bị tách dầu thường được đổi đầy chất xốp giống nhau như bầu lọc không khí hay ở dạng một thiết bị ly tâm "xoay". Các van an toàn được bố trí ở giữa các cấp của máy nén trên bầu giữa phần làm mát và bình chứa khí nén, công dụng của chúng là giữ an toàn cho trạm máy nén khi áp suất tăng qua mức. Van an toàn thường là dạng trọng lực hay lò xo. Đường ống của trạm nén khí gồm hệ thống ống dẫn khí nén và đường ống dẫn nước làm mát. Các dụng cụ đo và kiểm tra có một ý nghĩa quan trọng để sử dụng đúng thiết bị nén khí theo các chỉ số quy định làm việc của trạm. Các áp kế lắp ở bầu làm mát trung gian và bình chứa khí nén để theo dõi áp suất khí do máy cung cấp. Để quan sát áp suất dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn có lắp áp kế trên đường ống đẩy của bơm dầu nhờn. áp suất của nước làm mát được kiểm tra bằng áp kế trên đường ống góp để từ đó dẫn nước vào các phần của máy nén

Để kiểm tra có nước làm mát hay không, trong máy nén người ta kiểm tra phần rót nước ở ống góp nước thải. Cần phải kiểm tra nhiệt độ không khí trước và sau mỗi lần làm mát, cũng như nhiệt độ cuối của khí ra khỏi máy nén, kiểm tra nhiệt độ nước mát trong các ống góp ra khỏi sơ mi xi lanh và tất cả các phần làm mát.Các trạm máy nén nhờ việc kiểm tra nhiệt độ được tiến hành bằng nhiệt kế thuỷ ngân được đặt trong sơ mi có dầu nhờn.

Các trạm máy nén lớn chỉ số của tất cả các dụng cụ đo kiểm tra của máy nén được đưa đến trạm phát trung tâm. ở trạm này cũng do các chỉ số của các dụng cụ điện để kiểm tra công suất của máy nén yêu cầu, cùng với chỉ số của lưu lượng kế của máy

8. Chăm sóc và sử dụng máy nén khí

Khi khởi động máy nén khí cần phải tiến hành không tải, bởi vì khi khởi động có các tải trọng các xi lanh tạo ra một áp suất khá lớn và gây ra một mô men khởi động lớn. Trong thời gian máy nén làm việc cần định kỳ thải hơi ẩm và dầu tích lại trong bình tách ẩm. Việc định kỳ thải này rất quan trọng về hai phương diện:

 Thứ nhất việc xuất hiện chất ngưng tụ từ cấp I của máy nén, chất này đi vào các cấp thứ II sẽ làm hỏng dầu bôi trơn.

 Mặt thứ hai là trong ống dẫn các bình khí nén có thể tạo ra các màng dầu, và nếu các hạt bụi rơi vào các màng này (đặc biệt khi không có phin lọc ở cửa hút) thì ở điều kiện nhất định nào đó có thể gây nổ.

Có chất lỏng trong đường ống của khí khởi động có thể gây ăn mòn và có thể gây ra va đập thuỷ lực thường xuyên, cần phải thải nước cho các bình chứa khí nén để khí không tích lại trong đó. Để tránh bị nổ, trước khi dừng máy nén cần ngắt tải cho máy nén, mở các van thải cấp I, cấp II. Cần tuân thủ chặt chẽ về quy định bôi trơn cho máy nén. Lượng dầu bôi trơn không đủ, dùng loại dầu không đúng quy định có thể làm kẹt van và bị mài mòn nhanh. Phần lớn thời gian bảo quản máy nén là bảo quản các van. Đế van cần định kỳ rà để tránh bị biến dạng do va đập. Cần chú ý khi rà van, không được làm thay đổi độ nâng van, đôi khi vì điều này sẽ làm tăng độ mòn.

Khi loại dầu bôi trơn không phù hợp, thì khi các tạp chất rơi vào có thể gây quá nhiệt, làm kẹt van hoặc làm rơi đế van. Trong khi máy nén làm việc, việc điều chỉnh không đúng các van có thể phát hiện bằng cách nhìn vào áp kế các cấp, việc chỉnh không đúng sẽ kéo theo việc tăng nhiệt độ của khí nén, tuy nhiên nhiệt độ cũng có thể tăng lên do không đủ nước làm mát.

Cần chú ý đến sự làm mát máy nén trong các cấp công tác. Khi làm mát mạnh thì trên thành sơ mi xilanh có thể tạo chất ngưng tụ, điều này ảnh hưởng xấu tới việc bôi trơn, còn khi làm mát không đủ thì tạo ra các chất cặn đặc biệt khi làm mát bằng nước biển) sẽ làm giảm hiệu suất thể tích của máy nén khí, và các van bị hỏng nhanh. Trong trường hợp trầm trọng có thể làm nổ máy nén.

Theo quy định của đăng kiểm LOYD, máy nén cần có cấu tạo ra sao để nhiệt độ khí nén thường không vượt quá 93oC.

II. Quạt gió

1. Khái niệm về quạt gió

Định nghĩa : Quạt gió là loại cánh quạt cánh dẫn, nó được sử dụng vào vận chuyển hoặc nén chất khí hoặc hơi với áp suất công tác vào khoảng 0 - 3 KG/cm2

Các máy dùng để chuyển không khí và tăng áp suất của không khí đến 1500 mmH20 gọi là quạt thông gió.

Theo nguyên lý tác dụng của quạt thông gió được chia ra làm loại ly tâm, loại hướng trục chúng được lai bởi động cơ điện ,tua bin, động cơ thuỷ lực.

ứng dụng của quạt gió:

• Thông gió buồng ở thuyền viên trên tàu, buồng máy, hầm hàng, kho vật tư.

• Cấp gió cho máy chính máy đèn , nồi hơi.

2. Phân loại quạt gió

Theo hướng chất khí được vận chuyển:

• Quạt gió ly tâm ( Hướng kính)

• Quạt gió hướng trục

Theo sự bố trí cửa hút:

• Quạt gió hút một phía ( 1cửa hút)

• Quạt gió hút hai phía (2 cửa hút)

Theo số cấp công tác:

• Quạt gió một cấp

• Quạt gió nhiều cấp.

Theo cấu tạo của cánh:

• Quạt gió có cánh hướng kính thẳng

• Quạt gió có cánh cong về phía sau

• Quạt gió có cánh cong về phía trước.

3. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của quạt gió

a. Cấu tạo của quạt thông gió

Quạt máy ly tâm: Quạt gió kiểu này được dùng trong các hệ thống điều hoà không khí cũng như để thông gió các phòng ở, phòng làm việc trên tầu

1. Vỏ hàn.

2. Cửa hút

3. Phần liền

4. Đĩa vòng

5. Cánh hình máng

Quạt máy hướng trục:

b. Nguyên lý hoạt động

Khi cánh quạt tác động vào các phần tử chất khí một lực ly tâm làm các phần tử khí chuyển động ra xa tâm và đi ra ngoài. Điền vào khoảng trống đấy là các phần tử chất khí khác được thu hút vào chiếm chỗ ở khu vực gần tâm của bánh cánh. Quá trình diễn ra liên tục và tạo thành dòng khí chuyển động từ trong ra ngoài. Để giảm tổn thất do vận tốc dòng khí cao khi ra khỏi bánh cánh , người ta thiết kế đường ống đẩy có dạng hình xoắn ốc có tiết diện lớn dần để biến một phần cột áp động thành cột áp tĩnh

4. Các thông số đặc trưng của quạt gió

Các thông số đặc trưng dùng để đánh giá tình trạng kỹ thuật và khả năng công tác của quạt gió

• Sản lượng quạt gió : (m3/h)

• Độ chênh áp toàn phần P ( N/m2; mmH2O) : Đó là độ trênh áp suất toàn phần trước và sau quạt gió.

• Độ chênh áp tĩnh Pt ( N/m2; mmH2O) : Đó là độ trênh áp suất tĩnh trước và sau quạt gió.

• Công suất cơ khí Nck : KW

• Công suất có ích NCi : )

• Hiệu suất toàn phần  :

6. Đặc tính của quạt gió

III.Truyền động khí nén tàu thủy

1. Khái niệm về truyền động khí nén

Hệ truyền động khí nén là một hệ truyền động sử dụng khí nén (không khí được nén dưới một áp suất nhất định) làm môi chất trung gian vận chuyển năng lượng. Trong kỹ thuật, khí nén còn được gọi là chất lỏng công tác. Khái niệm "chất lỏng công tác" ở đây tương tự như "chất lỏng" trong các hệ thống thủy lực.

Hiện nay, các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng khá phổ biến trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ công nghệ từ đơn giản như kẹp, giữ, nâng, hạ... đến phức tạp như kiểm tra, đo lường, điều khiển từ xa, tự động điều khiển, tự động điều chỉnh...

Điểm cơ bản của hệ truyền động khí nén là thiết bị sử dụng năng lượng khí nén, có sự tham gia của điện và thủy lực để tăng tính hoàn thiện trong các khâu truyền động. Tính chất vật lý cơ bản của khí nén là tồn tại tính chịu nén của chất khí (không khí) và hiệu ứng động học của chất khí. Như vậy, trong hệ thống truyền động khí nén có thể có các phần động, dịch chuyển trong quá trình làm việc, nhưng cũng có thể hoàn toàn không có các phần động.

Tập hợp toàn bộ các phần tử của thiết bị khí nén được liên hệ và tác động qua lại với nhau bằng một thể thức nhất định, nhằm đảm bảo hình thái truyền động theo thiết kế được gọi là một hệ truyền động khí nén.

Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực tàu thủy bởi có nhiều ưu điểm, đó là:

- Kết cấu, sử dụng và điều khiển đơn giản,

- Độ tin cậy làm việc cao,

- Đặc biệt đảm bảo được an toàn hệ thống truyền động trong điều kiện làm việc có nhiệt độ cao, dễ cháy nổ, môi trường hóa chất...,

- Tác động nhanh trong hệ thống điều khiển từ xa,

- Có thể tích trữ năng lượng,

- Không gây độc hại cho người khai thác.

Tuy nhiên, hệ thống khí nén lại có một số hạn chế sau:

- Hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn hơn so với hệ thống truyền động thủy lực có cùng công suất,

- Tính chịu nén của chất khí khá lớn cho nên ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của hệ thống,

- Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian đối với bộ phận chấp hành khó thực hiện được chính xác,

- Khi làm việc, các hệ thống khí nén thường ồn hơn so với truyền động thủy lực.

2. Các thiết bị trong hệ truyền động khí nén

Các thiết bị khí nén được phân loại thành các nhóm chức năng sau:

1. Trạm cấp khí nén (nguồn cấp): Là nhóm thiết bị, máy móc có nhiệm vụ nén và tích trữ không khí (khí nén) ở áp suất cao để sẵn sàng cung cấp cho hệ thống truyền động.

2. Cơ cấu chấp hành (bộ phận chấp hành-động cơ) khí nén hay còn gọi là phần tử thực hiện: Được sử dụng để biến đổi trực tiếp năng lượng khí nén thành động năng chuyển động cơ học của bộ phận chấp hành, thực hiện công đoạn công nghệ hay các thao tác (hoạt động) đã được sắp đặt trước.

3. Thiết bị phân phối và điều khiển khí nén (các phần tử khí nén): Được dùng để thay đổi hướng đi của dòng khí nén từ nguồn, tạo lập và đảm bảo trình tự làm việc cho các bộ phận chấp hành và sau đó xả ra môi trường (khí quyển).

3. Phân loại các hệ truyền động khí nén.

Thông thường, các hệ truyền động khí nén được phân loại theo một số cách sau:

1- Theo dạng chuyển động của cơ cấu chấp hành thực hiện. Theo cách này, các hệ truyền động khí nén được chia thành 2 nhóm chính: chuyển động tịnh tiến (với cơ cấu chấp hành kiểu xi lanh khí nén) và chuyển động quay (với cơ cấu chấp hành kiểu rô-to khí nén).

2- Theo số lượng cơ cấu chấp hành khí nén. Là hệ truyền động khí nén có thể là loại hệ truyền động có một hoặc nhiều cơ cấu chấp hành.

3- Theo tính chất của thiết bị điều khiển. Các hệ truyền động khí nén có thể chia ra nhiều loại: điều khiển bằng khí nén, điều khiển bằng điện và điều khiển cơ hoặc kết hợp.

4- Theo tính chất làm việc của cả hệ thống, chúng được chia thành hai nhóm:

- Hệ truyền động khí nén làm việc theo chế độ liên tục,

- Hệ truyền động khí nén làm việc theo chế độ ngắt quãng và chế độ xung.

5- Theo phương pháp điều khiển, các hệ truyền động khí nén có thể là loại điều khiển theo vị trí, theo áp suất hoặc theo thời gian.

Ngoài các cách phân loại trên, các hệ truyền động khí nén còn có thể phân loại theo một số cách nữa như đặc điểm kết cấu của cơ cấu chấp hành, đặc diểm của cơ cấu truyền tải... Các hệ truyền động khí nén cũng có thể được sử dụng kết hợp với các hệ truyền động điện hoặc thủy lực... để tạo thành các hệ truyền động hỗn hợp thủy - khí hoặc điện - thủy - khí nén...

Việc quyết định sử dụng hệ truyền động khí nén kiểu nào phụ thuộc vào yêu cầu và đặc điểm làm việc cụ thể. Thông thường, những yêu cầu kỹ thuật và làm việc như vậy được đưa ra từ đầu cho người thiết kế. Trên cơ sở đó, người thiết kế sẽ lựa chọn hệ truyền động khí nén thích hợp, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.

Trong thực tế, việc phân loại và ứng dụng các hệ truyền động khí nén rất đa dạng và phong phú, bởi lĩnh vực sử dụng của chúng ngày càng mở rộng.

4. Nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ truyền động khí nén

Một hệ truyền động khí nén bao gồm các thiết bị chính sau:

- Cơ cấu chấp hành khí nén;

- Thiết bị phân phối;

- Thiết bị điều khiển;

- Thiết bị nguồn và hệ thống đường ống.

Trong sơ đồ nguyên lý truyền động khí nén, thường chỉ biểu diễn ba thành phần đầu tiên, đó là cơ cấu chấp hành, thiết bị phân phối và thiết bị điều khiển. Các thành phần còn lại như đường ống, nguồn cấp khí nén, phần tử lọc... được quy ước là những phần tử đương nhiên phải có mặt trong hệ thống mà có khi không cần phải biểu diễn chúng cụ thể trên sơ đồ.

Trước hết là các thiết bị nguồn khí nén. Thiết bị nguồn khí nén là các thiết bị tạo ra và cho phép thu được năng lượng của không khí nén dưới một áp suất nhất định để dùng trong các hệ truyền động. Trong công nghiệp nói chung và truyền động khí nén tàu thủy nói riêng, nguồn cấp khí nén thường sử dụng máy nén khí pitông hai cấp và hệ thống bình chứa (chai gió) khí nén. Trong đó, máy nén làm nhiệm vụ nén không khí vào chai gió tới áp suất từ khoảng 20 cho đến 25 KG/cm2. Không khí được nén này được tích trữ sẵn sàng trong chai để cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khí nén. Muốn sử dụng khí nén ở một áp suất ổn định nào đó, nguồn cấp khí nén cần phải lắp đặt hệ thống van giảm áp (ổn áp) và thiết bị lọc khí (phin lọc) trước khi cấp đi sử dụng. Mặt khác, trường hợp cần sử dụng khí nén không chứa lẫn nước, trong hệ thống phải có khả năng tách hơi ẩm bằng cách lắp đặt thiết bị như phin lọc kèm theo cơ cấu tách ẩm khí nén.

Để chuyển tải dòng khí nén tới nơi tiêu thụ, người ta sử dụng các đường ống dẫn khí. Trong một số trường hợp, các đường ống này có thể đóng vai trò là các kênh điều khiển của từng thiết bị khí nén riêng biệt. Khi tính chọn các đường ống dẫn khí nén cần lưu ý đến vận tốc dòng khí trong đường ống không vượt quá 17m/s. Vì nếu vận tốc dòng khí vượt quá trị số trên sẽ có tổn thất áp suất khá lớn, như vậy có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng làm việc của hệ thống truyền động khí nén.

Các cơ cấu chấp hành khí nén là các thiết bị khí nén được sử dụng để nhận và biến đổi trực tiếp nguồn năng lượng khí nén thành chuyển động cơ học của từng bộ phận công tác. Trong thực tế, các cơ cấu chấp hành khí nén rất đa dạng và phong phú về kiểu loại, kích thước... phụ thuộc vào đặc điểm làm việc và điều kiện sử dụng, ví dụ như: xy lanh khí nén, xi phông khí nén (hộp xếp), động cơ rô to khí nén...

Các thiết bị điều khiển, phân phối khí nén bao gồm các loại van, khóa phân phối, các thiết bị điều khiển kiểu con trượt, kiểu màng... dùng để định hướng, đổi hướng dẫn khí, tạo lập trình tự thao tác, chuyển động cho các cơ cấu chấp hành khí nén. Trong thuật ngữ riêng cho chuyên ngành kỹ thuật, các thiết bị khí nén này được gọi là các phần tử khí nén. Các phần tử khí nén kết hợp với nhau theo sơ đồ chức năng nhất định tạo ra được khả năng điều khiển máy móc làm việc theo chương trình lô-gíc, tự động điều khiển, tự động điều chỉnh... Các sơ đồ như vậy được gọi là sơ đồ điều khiển của hệ thống truyền động khí nén.

Ngoài các thiết bị được đề cập ở trên, còn có rất nhiều loại cơ cấu phần tử khí nén được sử dụng nhưng thường không trực tiếp tham gia vào việc thực hiện quá trình công nghệ hoặc quá trình điều khiển các hệ thống thiết bị khí nén, chúng được sử dụng để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Đó là các bộ lọc khí và tách dầu, tách ẩm, bộ hóa mù và phun sương dầu bôi trơn cho các phần chuyển động của hệ thống, các van xả (nước, dầu...), các bình chứa khí, các bộ giảm ồn cho khí xả, hệ thống sấy khô khí cho các hệ thống thiết bị khí nén yêu cầu sử dụng khí khô, sạch như trong các hệ thống tự động khí nén kiểu màng, tia...

Trong lĩnh vực công nghiệp tàu thủy, việc quyết định sử dụng hệ truyền động khí nén kiểu nào phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, đặc điểm công tác của đối tượng và khuynh hướng ứng dụng của người thiết kế. Để tiện lợi trong sản xuất, các thiết bị khí nén và công nghệ ứng dụng truyền động khí nén được các nhà chế tạo sản xuất hàng loạt các mô-đun khí nén cơ bản. Trên cơ sở đó, người tiêu dùng có thể tùy chọn các mô-đun thích hợp để tổ hợp, thiết kế thành hệ truyền động khí nén theo mục đích riêng. Chúng ta hãy nghiên cứu một số phần tử khí nén và mô-đun khí nén cơ bản đã và đang được ứng dụng trong công nghiệp, trong đó có lĩnh vực tàu thủy.

Trạm cấp khí nén

Trạm cấp khí nén (hình 8.1) thường sử dụng máy nén khí pitông hai cấp và hệ thống bình chứa (chai gió) khí nén. Tùy theo mức độ sử dụng khí nén mà chọn thể tích các chai chứa và theo dải áp suất thích hợp để chọn van giảm áp phù hợp. Thông thường, máy nén làm nhiệm vụ nén không khí vào chai gió tới áp suất từ khoảng 20 đến 25 KG/cm2. Không khí nén này tích trữ sẵn sàng trong chai để cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ. Muốn sử dụng khí nén ở một áp suất ổn định nào đó, nguồn cấp khí nén cần phải lắp đặt van giảm áp (ổn áp) và thiết bị lọc khí (phin lọc) cho sạch trước khi cấp đi sử dụng. Mặt khác, trường hợp cần sử dụng khí nén không chứa lẫn nước, trong hệ thống phải có khả năng tách hơi ẩm bằng cách lắp đặt thiết bị như phin lọc kèm theo cơ cấu tách ẩm khí nén. Nhưng nếu thiết bị tiêu thụ khí nén là các phần tử cần được bôi trơn trong quá trình làm việc thì hệ thống lại phải trang bị thêm thiết bị phun sương dầu bôi trơn (Microlubricator) vào khí nén trước khi cấp khí đi sử dụng hoặc sử dụng dầu bôi trơn cho máy nén khí là loại dầu dùng kết hợp cho bôi trơn các phần tử khí nén.

Hình 8.1: Sơ đồ trạm cấp khí nén

1- Máy nén khí 4- Van an toàn 7- Phin lọc khí kèm tách ẩm

2- Van chặn 5- Van xả nước 8- Van giảm áp

3- áp kế 6- Van một chiều 9- Van chặn

Van phân phối khí nén

Cũng như các phần tử thủy lực, van phân phối khí nén (còn được gọi là van hướng dòng) là phần tử khí nén dùng để dẫn đường dòng khí công tác (khí nén) đến nơi tiêu thụ năng lượng (động cơ khí nén) trong hệ thống theo sự điều khiển của người khai thác. Trong thực tế, sử dụng van phân phối để phân bố, điều khiển các nhóm chức năng hoạt động độc lập với nhau trong một hệ thống khí nén đa chức năng hoặc đảo chiều, đổi vế tác dụng của các động cơ khí nén...vv. Hình 8.2 là ví dụ một số van phân phối khí nén thường được dùng trong truyền động khí nén tàu thủy. Trong truyền động khí nén tàu thủy, loại van phân phối khí nén (Control valve) 5/2 và 3/2 rất phổ biến sử dụng. Chúng có thể được điều khiển bằng tay, van điện từ, khí nén hoặc kết hợp điện-khí nén.

(a) (b)

Hình 8..2: Van phân phối khí nén kiểu pitông con trượt

(a)- Van P.P. 5/2 ( 5 đường thông, 2 vị trí điều khiển)

(b)- Van P.P. 3/2 ( 3 đường thông, 2 vị trí điều khiển)

- Nguồn cấp khí nén

- Xả ra môi trường

Trong thực tế ứng dụng các hệ truyền động-tự động khí nén ở dải áp suất từ 0,24 đến 0,64 MPa, người ta sử dụng nhiều loại phần tử khí nén khác nhau để xây dựng hệ điều khiển cho chúng, thiết kế các mạch khí nén thực hiện nhiều phép tính logic trong hệ thống điều khiển bằng khí nén. Hãy tham khảo bảng (1) những ví dụ thực hiện phép tính logic của các van phân phối khí nén 5/2 và 3/2.

Bảng 1.

Hàm logic Ký hiệu Bảng trạng thái Sơ đồ nguyên lý

Phép khẳng

định logic

f¬2 = x12

x12 f2

0 0

1 1

x12

Phép phủ định logic

f¬2 = x12

x12 f2

0 1

1 0

x12

Phép cộng logic

f¬2 = x12 + x3

x12 x3 f¬2

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

Phép nhớ logic

(Trigơ với đầu vào độc lập)

x12 x10 f¬2

1 0 1

0 0 1

0 1 0

0 0 0

Phép nhân

logic

f¬2 = x12 .x3

x12 x1 f¬2 f¬4

0 0 0 1

0 1 0 0

1 0 0 1

1 1 1 1

Phần tử khí nén kiểu màng

Hình 8.3: Sơ đồ và ký hiệu phần tử khí nén kiểu màng USEPPA

Phần tử khí nén kiểu màng có nhiệm vụ điều khiển và thực hiện các phép tính logic trong hệ thống điều khiển khí nén. Dải áp suất làm việc của các phần tử khí nén kiểu màng nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,24 Mpa (1,4 đến 2,4 KG/cm2). Các phần tử khí nén kiểu màng có ưu điểm là có khả năng làm việc với tần số cao hơn nhiều so với tần số làm việc của các phần tử khí nén kiểu con trượt, đồng thời có quán tính làm việc nhỏ nhưng lại có nhược điểm là không chịu được áp suất lớn. Trên hình 8.3 là sơ đồ và ký hiệu phần tử khí nén kiểu màng USEPPA (Liên xô cũ), nó còn được gọi là rơ-le khí nén. Rơle khí nén được cấu tạo bởi 3 màng đàn hồi có diện tích tác dụng khác nhau nối trực tiếp với nhau bằng một tâm cứng và chia khoang rơle khí nén ra làm 4 ngăn: A, B, C, D độc lập với nhau. Ngăn A có đường cấp khí nén vào và dẫn khí nén ra để đi sử dụng nhưng được khống chế bởi sự đóng hoặc mở bằng đầu tâm cứng với cửa cấp khí vào. Ngăn D cũng được nối thông với 2 đường, một trong hai đường thông về với ngăn A và một đường thông còn lại xả ra môi trường. Tại ngăn D, việc dẫn khí nén thông về A để đi sử dụng hay xả khí nén ra ngoài môi trường cũng được đóng hay mở bằng đầu tâm cứng với cửa dẫn khí. Mỗi ngăn B và C đều được nối với một đường p1, p2 tương ứng mà chính các đường khí này là những đường dẫn tín hiệu khí nén điều khiển quá trình làm việc của rơle khí nén.

(a) (b)

Hình 8.4: Sơ đồ rơle khí nén có áp suất đệm

(a)- áp suất đệm ngăn B = 0,3 pvào (b)- áp suất đệm ngăn C = 0,7 pvào

Để tạo ra cho rơle khí nén có những chức năng khác nhau, người ta duy trì trong ngăn B hoặc ngăn C bằng những áp suất không đổi, những áp suất này gọi là áp suất đệm. Tiêu chuẩn hóa khi chế tạo hàng loạt các rơle khí nén, thông thường là áp suất đệm ngăn B = 0,3 pvào và áp suất đệm ngăn C = 0,7 pvào. Kết hợp với việc đưa tín hiệu khí nén điều khiển vào những ngăn còn lại của rơle khí nén mà chúng ta có được hàng loạt các khả năng thực hiện phép tính logic trong mạch điều khiển khí nén, hình 8.5.

Hình 8.5: Sơ đồ thực hiện phép tính logic của các rơle khí nén USEPPA

Van gỉam áp khí nén

Van giảm áp (còn được gọi là van ổn áp) là phần tử khí nén dùng để duy trì một giá trị áp suất sau van không đổi và không phụ thuộc vào áp suất nguồn cấp khí vào cho van.

Hình8.6: Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu của van giảm áp khí nén

A- Cửa vào van 3 - Đường dẫn tới van tràn

B- Cửa ra khỏi van 4 - Nấm van tràn

C- Đường thoát ra ngoài 5 - Rãnh tiết lưu

D- Khoang trượt của van 6 - Vít chỉnh

1- Lò xo van tràn 7 - Pitông của van

2- Lò xo 8 - Lối đi chính của khí qua van

Nguyên lý hoạt động của van giảm áp: Trên hình 8.6 cho ta thấy sơ đồ cấu tạo van giảm áp thường được sử dụng cho trạm cấp khí nén hoặc trong một số hệ thống truyền động khí nén tàu thủy. Cửa A của van được nối với nguồn cấp chất khí (thông thường nguồn cấp khí là chai gió) và cửa B được dẫn tới bộ phận chấp hành (động cơ khí nén hoặc các thiết bị tiêu thụ khí nén) mà bộ phận chấp hành này đòi hỏi sử dụng nguồn khí nén có giá trị áp suất không đổi. Giả sử vì một lý do nào đó mà áp suất tại cửa B tăng lên so với giá trị đã đặt trước cho van (ví dụ: mức độ tiêu thụ chất khí của bộ phận chấp hành giảm), tín hiệu áp suất này đi qua rãnh tiết lưu 5, về khoang D, qua đường dẫn 3 để tác dụng vào nấm van 4. Nếu áp suất tăng đó thắng sức căng lò xo1 (chỉnh sức căng bằng vít chỉnh 6) thì sẽ làm mở van tràn 4 và chất khí thóat về cửa C rồi đi ra ngoài môi trường. Có sự thóat chất khí khi mở nấm van 4 sẽ gây áp suất khoang D giảm mạnh, vì thế pitông trượt 7 lập tức đi lên kéo theo việc đóng bớt cửa thông 8. Cửa thông 8 đóng bớt sẽ giảm được áp suất cửa B xuống trở về giá trị ban đầu. Trường hợp ngược lại, nếu áp suất B lại giảm so với giá trị ban đầu (có thể do vì mức độ tiêu thụ chất khí của bộ phận chấp hành tăng lên) thì nấm van 4 đóng lại, áp suất khoang D tăng lên, pitông trượt 7 đi xuống để mở lại lối thông 8 rộng ra như cũ, mức cấp chất khí tới B tăng, như vậy áp suất cửa B lại về giá trị đã đặt. Bằng hình thức hoạt động như trên, van này có khả năng luôn luôn giữ được giá trị áp suất sau van không đổi (pB=constant), không phụ thuộc vào áp suất nguồn cấp và cũng không phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ chất khí của bộ phận chấp hành sau van nhiều hay ít. Sử dụng vít chỉnh 6 để tăng hoặc giảm (đặt áp suất làm việc) áp suất công tác của van.

Van tiết lưu một chiều khí nén

Van tiết lưu trong hệ thống truyền động khí nén có tác dụng gây sức cản làm giảm áp suất chất khí qua van. Về nguyên tắc, cơ cấu làm việc của van tiết lưu chủ yếu là có nhiệm vụ thu hẹp dòng chảy của chất khí qua van, do đó tăng tổn thất cục bộ tại van. Chính vì tổn thất tăng mà kéo theo sự giảm áp suất qua van. Giá trị tổn thất thủy khí nhỏ nên chuyển thành nhiệt ít, do vậy chất khí nóng lên không đáng kể.

(a) (b)

Hình8.7: Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu nhóm van tiết lưu-một chiều khí nén

Hình 8.7-a là sơ đồ cấu tạo nhóm van tiết lưu lắp song song với van một chiều. Loại van này cho phép chất khí đi theo một chiều một cách tự do, nhưng lại điều tiết được chất khí đi theo chiều ngược lại. Do van có kết cấu như hình 6.7, nếu khí nén cấp vào cửa A thì nó dễ dàng đi thẳng về B. Nhưng nếu chất khí cấp vào từ cửa B thì khi đó bi cầu D đóng lại, khi đó chất khí buộc phải đi qua rãnh F về khoang C và ra cửa A, như vậy mức độ lưu thông của chất khí do vít chỉnh V quyết định. Vít V có thể mở hết cỡ để tạo thành đường dẫn bình thường hoặc đóng kín hoàn toàn. Trong trường hợp vít V đóng hoàn toàn thì nhóm van lúc này trở thành van một chiều. Trong công nghiệp và lĩnh vực tàu thủy, loại van này thường được sử dụng để điều khiển sự hoạt động các pitông trợ lực hay đóng mở cơ cấu chấp hành khí nén. Hình 8.7-b là ký hiệu van tiết lưu lắp song song với van một chiều.

5. ứng dụng của truyền động khí nén

a. Điều khiển xilanh lực khí nén

Hình 8.8: Sơ đồ ứng dụng các van 3/2 và 5/2 trong truyền động khí nén

(a)- Điều khiển trực tiếp bằng một cặp van 3/2 cho xilanh lực tác dụng hai phía

(b)- Điều khiển trực tiếp bằng van 3/2 cho xilanh lực tác dụng một phía

(c)- Điều khiển gián tiếp van 5/2 bằng van 3/2 cho xilanh lực tác dụng hai phía

Hình 8.8-a là sơ đồ điều khiển sự hoạt động của xilanh lực tác dụng hai phía trực tiếp bằng một cặp van 3/2. Hình8.8-b là sơ đồ điều khiển sự hoạt động của xilanh lực tác dụng một phía trực tiếp bằng một van 3/2, chiều chuyển động ngược trở lại của pitông lực nhờ vào lò xo bên trong xilanh. Hình 8.8-c là sơ đồ điều khiển sự hoạt động của xilanh lực tác dụng hai phía gián tiếp qua van 5/2 bằng một cặp van 3/2. Van 5/2 trong trường hợp này phải là van phân phối khí nén được điều khiển bằng khí nén.

b. ứng dụng của van "shuttle"

Hình 8.9: Sơ đồ ứng dụng van một chiều tự lựa (Shuttle valve)

Van một chiều tự lựa (Shuttle valve) còn được gọi là van "hoặc-or", có tác dụng tự động đóng một trong hai cửa tuỳ theo tín hiệu áp suất công tác trong hệ truyền động khí nén. Theo sơ đồ trên hình 8.9, chúng ta có thể điều khiển sự hoạt động của xilanh lực bằng một van 3/2 bên trái hoặc van 3/2 bên phải mà chúng đều cho khả năng công tác của hệ thống như nhau.

c.ứng dụng của van tiết lưu một chiều điều chỉnh tốc độ cơ cấu chấp hành

Hình 6.10: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ cơ cấu chấp hành

bằng cách lắp đặt van tiết lưu một chiều

Sơ đồ hình 8.10-a cho ta thấy điều chỉnh tốc độ thực hiện cơ cấu chấp hành bằng cách lắp đặt van tiết lưu một chiều vào trước xilanh lực. Hình 8.10-b , điều chỉnh tốc độ thực hiện nhờ việc lắp đặt hai van tiết lưu một chiều vào trước và sau xilanh. Hình 8.10-c, hoặc cũng có thể thay đổi tốc độ thực hiện cơ cấu chấp hành bằng cách lắp đặt nối tiếp hai van tiết lưu một chiều vào trước xilanh lực. Tuy nhiên, việc lựa chọn phương án thiết kế cần phải cân nhắc để hệ thống truyền động phù hợp với yêu cầu công tác.

d. Bộ giữ chậm thời gian khí nén

Trong một số hệ truyền động khí nén, nhiều khi cần phải bảo đảm những khoảng thời gian nhất định giữa các động tác của từng cơ cấu chấp hành khí nén. Để thực hiện mục đích này, người ta sử dụng các thiết bị giữ chậm thời gian khí nén thay vì các bộ giữ chậm thời gian bằng điện-điện tử, thủy lực...bởi không phải dùng thêm một loại nguồn năng lượng khác không phải là khí nén. Nếu như khí nén được lọc sạch thì các rơle (relay) khí nén sẽ làm việc tin cậy, độ bền cao.

Việc giữ chậm thời gian của rơle khí nén được thực hiện hoặc nhờ quá trình nạp khí vào một thể tích không đổi bình chứa V, hoặc dựa trên quá trình xả khí từ thể tích đó ra ngoài qua một tiết lưu (điều chỉnh được), hay cũng có thể dựa trên việc sử dụng đồng thời cả hai quá trình đó. Thời gian tăng áp (hoặc giảm áp) tới một giá trị nhất định ở trong khoang chứa khí nén V sẽ xác định thời gian giữ chậm của rơle. Việc điều chỉnh thời gian này có thể thực hiện bằng 3 cách: điều chỉnh tiết lưu, điều chỉnh thể tích khoang chứa V hoặc đồng thời điều chỉnh cả hai.

Sơ đồ hình 811 là hệ thống điều khiển xilanh lực dừng (trễ) ở thời điểm đầu hành trình lùi của pitông lực nhờ bộ giữ chậm thời gian khí nén. Tức là sau khi pitông lực đi hết hành trình tiến về phải, đầu pitông lực tì vào van 3/2 để cấp khí điều khiển về van 5/2. Khí nén điều khiển trước khi đến van 5/2 phải qua van tiết lưu một chiều, đến rơle thời gian kiểu màng với sự phối hợp của bình tích năng V. Van 5/2 không được tác động ngay mà bị trì hoãn sau một khoảng thời gian do van tiết lưu một chiều và bình tích năng V. Cụ thể là tín hiệu khí nén qua tiết lưu để sau một khoảng thời gian áp suất trong bình V đạt tới giá trị áp suất đủ lớn để tác động điều khiển van 5/2 làm việc ở vị trí trái của nó, khi đó pitông mới được đi về trái.

Hình 8.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển có sử dụng bộ giữ chậm thời gian khí nén

Van làm trễ thời gian

e. Tự động điều khiển tiến và lùi cơ cấu chấp hành

Hình8.12: Hệ tự động điều khiển tiến và lùi cơ cấu chấp hành

Trên hình 8.12 là sơ đồ hệ thống tự động điều khiển tiến và lùi pitông lực nhờ vào cảm biến vị trí cuối hành trình của nó vào một trong hai van điều khiển 3/2. Ví dụ, khi pitông lực dịch hết về bên phải, tín hiệu di chuyển của cần pitông lực tác động tỳ vào van 3/2(b) làm cho van điều khiển này nối thông cửa 1 về cửa 2 của van 3/2(b). Do đó van 5/2 được điều khiển để pitông lực quay về trái. Khi pitông về hết trái lại tác động vào van 3/2(a), van 3/2(a) điều khiển van 5/2 để cho pitông lực lại dịch về phải. Cứ như thế hệ này hoạt động tự động tuần hoàn trái-phải trừ khi van on-off (c) được đưa về vị trí off.

f. Hệ thống hoạt động theo trình tự A+,B+,A-,B-.

a -

a+

cylinder A

Interrupt valve Start

Control valve a

Stop

b - b+

cylinder B

Control valve b

Hình 8.13: Hệ thống khí nén hoạt động theo trình tự: A+, B+, A-, B-.

Hệ thống khí nén hoạt động theo trình tự: A+, B+, A-, B- tức là hệ thống truyền động khí nén được thiết kế điều khiển sao cho pitông lực A dịch hết phải, tiếp đó pitông B dịch hết phải, sau đó pitông A dịch về trái và cuối cùng theo trình tự là pitông B dịch về trái. Sau đó, hệ pitông A, B lại hoạt động lặp lại theo trình tự trên. Thực vậy, sơ đồ hình 6.13 cho ta thấy: khi pitông A dịch hết phải, tác động vào a(+), điều khiển khí nén đến van 5/2(b), làm cho pitông B dịch phải. Khi pitông B dịch hết phải sẽ tác động vào van 3/2(b), từ đó chuyển khí nén đến van 5/2(a), điều khiển pitông A quay về trái. Cứ như vậy, cặp pitông A và B hoạt động theo trình tự A+, B+, A-, B-.

g. Tự động trở lại nhờ van cảm biến áp suất (Pressure sensitive valve)

x y

b Control valve a off c

Hình8.14: Sơ đồ hệ thống tự động trở lại nhờ van cảm biến áp suất

Van cảm biến áp suất (Pressure sensitive valve) là một van 3/2 (hai vị trí điều khiển và ba đường thông nhau), điều khiển bằng khí nén, tự phục hồi bằng lực lò xo. Đặc điểm van này là nó có một màng đàn hồi để tiếp nhận tín hiệu khí nén điều khiển làm dịch cơ cấu điều khiển của van. Khí điều khiển cấp tới màng của van một cách liên tục và cũng xả ra môi trường bằng đường thoát nhỏ một cách liên tục. Chính vì thế mà van này còn được gọi là van màng. Với độ lớn của màng khá lớn cho nên chỉ bằng một tín hiệu áp suất điều khiển có giá trị nhỏ (khoảng 0,5 bar) là đủ để van này hoạt động. Khi có tín hiệu áp suất điều khiển, van 3/2 dịch sang vị trí để cho1 thông với 2 và cửa 3 bị cô lập.

Hình 8.14 là sơ đồ hệ thống pitông tự động trở lại nhờ van nhạy cảm áp suất. Ví dụ: sử dụng van điều khiển 5/2(a) cấp khí vào cửa x, pitông dịch sang phải, khí thoát ra cửa y. Mặc dầu khi này khí nén từ xi lanh được xả ra môi trường qua cửa y, nhưng vì sức cản đướng thoát đáng kể nên tín hiệu áp suất tới van 3/2(c) còn đủ lớn để van này duy trì ở vị trí cho chính nó xả thông với môi trường. Van điều khiển 3/2(c) bị nén trả lại bằng lò xo để cấp khí điều khiển cho pitông dịch về trái sau khi pitông dịch hết và dừng hẳn ở vị trí phải khi khí nén thoát ra khỏi xi lanh lực ra ngoài môi trường một cách hoàn toàn.

Mạch khí nén có van cảm biến áp suất

Một số ký hiệu phần tử khí nén thường gặp:

Tên phần tử KN Ký hiệu

Tên phần tử KN Ký hiệu

Máy nén khí

Động cơ khí nén

a-Động cơ 1 chiều

b-Động cơ 2 chiều

a b

Ký hiệu trên các phần tử khí nén:

P pressure

T return

A,B Load-phụ tải

A B

P T

Ký hiệu van P.P.

4/3 - Số vị trí đ/k

Số đường thông (số cửa nối)

2/2

6/3

Van P.P. khí nén 5/2.

1;2;3;4;5: ký hiệu các cửa

- xả ra môi trường

- nguồn khí nén

Van P.P. khí nén 3/2

Động cơ khí nén pitông một chiều

Van tiết lưu một chiều

Động cơ khí nén pitông hai chiều

Động cơ khí nén pitông

có đ/c cuối hành trình công tác

Shuttle valve - Van một chiều

kép.

a-Thường đóng

b-Thường mở

a b

Van an toàn

Van ổn (giảm) áp

Van P.P. điều khiển bằng khí nén

A B

P x y T

Van P.P. ( chức năng tương đương)

A B

x P T y

Van P.P. khí nén điều khiển bằng điện, trợ lực khí nén

A B

P T

Bộ lọc khí có tách ẩm

a-Bầu sinh hàn

b-Bầu hâm

a b

Phin lọc(Bộ lọc khí)

Van P.P. điều khiển khí nén

Van P.P. điều khiển thủy lực

Van P.P. điều khiển cơ khí

Van P.P. điều khiển điện từ

Cảm biến vị trí, cảm biến áp suet và cảm biến thời gian được ứng dụng trong cùng một mạch điều khiển

Câu hỏi

1. Khí nén được sử dụng làm gì dưới tàu thủy

2. Trình bày tên các chi tiết và nguyên lý hoạt động của máy nén khí piston hai cấp.

3. Tại sao dưới tàu thuỷ phải dùng máy nén khí piston nhiều cấp (thường là 2 cấp) có làm mát trung gian giữa các cấp nén.

4. Trình bày nguyên lý hoạt động và ứng dụng của máy nén piston hai cấp kiểu bậc và tác dụng cùng phía.

5. Trình bày quy trình vận hành khai thác một hệ thống khí nén.

6. Nêu các loại quạt gió được ứng dụng dưới tàu thủy.

7. Trình bày đặc điểm của truyền động khí nén.

8. Nêu chức năng của các bộ phận chính trong truyền động khí nén.

9. Trình bày nguyên lý hoạt động của một hệ thống truyền động khí nén (cảm biến vị trí, cảm biến thời gian (bộ giữ chậm thời gian) và cảm biến áp suất được ứng dụng trong cùng một mạch điều khiển).