Hoạt đồng và ứng dụng các phần tử khí

1. Xy-lanh (cylinder)

Về cơ bản có thể chia làm 2 loại:

Xy-lanh tác động đơn (single acting cylinder) và Xy-lanh tác động kép (double acting cylinder).

1.1. Xy-lanh tác động đơn

Xy-lanh tác động đơn được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu lực nhỏ và khoảng dịch chuyển ngắn.

Hình 1. Cấu trúc và ký hiệu của Xy-lanh tác động đơn.

Hình 2. Chiều chuyển động của Xy-lanh.

1.2. Xy-lanh tác động kép

Xy-lanh tác động kép thực chất là xy-lanh tác động đơn, trong đó lò xo hồi được thay thế bằng cửa vào của khí nén.

Hình 3. Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu Xy-lanh tác động kép.

Hình 4. Một số Xy-lanh tác động kép có cấu trúc khác.

1.3. Xy-lanh không có cần piston (Rodless cylinder)

Xy-lanh không có cần piston có một ưu điểm vượt trội so với xy-lanh có cần piston là chiều dài thiết kế của loại này chỉ bằng một nửa. Loại xy-lanh này được chia làm 3 nhóm chính:

Xy-lanh kiểu dây đai (Band cylinder).
Xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt (Sealing band cylinder).
Xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ (Cylinder with magnetic coupling).

Hình 5. Xy-lanh không cần piston.

2. Động cơ khí nén (Pneumatic motor)

Các thiết bị chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động quay với khả năng chuyển động liên tục được gọi là động cơ khí nén.

Các động cơ khí nén có thể phân loại theo thiết kế :

Động cơ piston (Piston motor)
Động cơ cánh gạt (Sliding-vane motor)
Động cơ bánh răng (Gear motor)
Động cơ tuốc – bin (lưu lượng cao) (Turbine motor)

Đặc điểm của các động cơ khí nén: Điều chỉnh tốc độ và momen êm, kích thước, trọng lượng nhỏ, an toàn quá tải, chống cháy nổ, dải tốc độ rộng, ít phải bảo trì, bảo dưỡng, dễ đảo chiều và không nhạy cảm nhiều với bụi bẩn, nước, nhiệt độ.

2.1. Động cơ piston

Động cơ khí nén kiểu piston được chia làm 2 loại: Động cơ hướng kính (radial piston motor) và động cơ hướng trục (axial piston motor).

Hình 6. Động cơ hướng kính và động cơ hướng trục.

2.2. Động cơ cánh gạt

Do kết cấu đơn giản và trọng lượng bé cho nên các động cơ kiểu cánh gạt thường được sử dụng cho các công cụ cầm tay.

Hình 7. Cấu tạo và nguyên lý của động cơ cánh gạt

2.3. Động cơ bánh răng

Loại động cơ này dựa trên tính chất moment được sinh ra bởi áp suất khí chống lại dạng profin răng của 2 bánh răng ăn khớp với nhau. Một bánh răng chủ động được gắn với trục động cơ. Bánh răng của động cơ có thể ở dạng bánh răng thẳng hoặc nghiêng. Động cơ bánh răng có dải công suất rất lớn, có thể lên đến 44 kW (60 HP). Động cơ bánh răng cũng có thể đảo chiều được.

2.4. Động cơ tuốc bin

Các động cơ tuốc-bin chỉ có thể sử dụng ở những nơi có yêu cầu công suất thấp, và tốc độ rất cao. Ví dụ như trong máy khoan nha khoa, tốc độ hoạt động của động cơ khoan có thể lên đến 500.000 vòng/phút.

3. Điều khiển Xy-lanh tác động đơn

Để điều khiển xy-lanh tác động đơn, người ta thường sử dụng van 3 cửa (3-port valve). Theo nguyên lý, có thể phân làm 2 loại cơ bản: Van thường đóng (NC – Normally closed) và van thường mở (NO – Normally open).

Hình 8. Cấu trúc van thường đóng.

Hình 9. Cấu trúc van thường mở.

Có 4 loại tác động bằng tay thường được sử dụng của van 3 cửa :

Loại nút nhấn (push-button) được vận hành nhanh và tiện lợi.
Loại chìa khóa (key) được dùng khi đòi hỏi mức độ an toàn cao hơn.
Loại cần gạt (set-reset) giữ nguyên vị trí set cho tới khi được reset.
Loại bàn đạp (foot pedal) được dùng để điều khiển bằng chân.

Hình 10. Ký hiệu trên bản vẽ các loại van tác động bằng tay

Các loại van 3 cửa khác có thể hoạt động bằng các bộ phận hoặc tín hiệu trong mạch:

Loại cần đẩy (plunger).
Loại con lăn hành trình (roller-trip).
Loại van con lăn hành trình 1 chiều.
Loại van điện từ (solenoid valve).
Loại van tác động khí (air-pressure valve, pilot valve).
Loại van màng (diaphragm valve).

Hình 11. Ký hiệu trên bản vẽ các loại van hoạt động bằng các bộ phận hoặc tín hiệu

4. Điều khiển Xy-lanh tác động kép

4.1. Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van 5 cửa

Van 5 cửa trong đó cửa 1 là cửa khí vào, cửa 2 và 4 là 2 cửa ra xy-lanh, cửa 3 và 5 là 2 cửa xả.

Hình 12. Ký hiệu trên bản vẽ của van 5 cửa.

4.2. Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van tác động khí

Trong nhiều tình huống, chúng ta muốn van 3, 5 cửa hoạt động tự động bằng tín hiệu khí hơn là cơ khí.

Hình 13. Điều khiển Xy-lanh tác động kép bằng van tác động khí

4.3. Điều khiển Xy-lanh ở 2 vị trí

Một Xy-lanh được điều khiển bởi 1 trong 2 vị trí thì ta dùng van chặn (shuttle valve).

Hình 14. Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu van chặn (shuttle valve).

5. Lực tạo ra bởi Xy-lanh

5.1 Lực tác động ở hành trình ra (out-stroke) của Xy-lanh

Về lý thuyết, giả sử hiệu suất trong xy-lanh là 100% thì ta có công thức sau:

F = p.A

Với: F là lực xy-lanh tạo ra (N); p là áp suất khí nén (Pa); A là diện tích tác dụng của bề mặt piston (m2).

Đối với xy-lanh tác động đơn:

F_tt = p.A – (F_R + F_F)

Đối với xy-lanh tác động kép:

F_tt= p.A – F_F

5.2. Lực tác động ở hành trình vào (in-stroke) của Xy-lanh

Trong một xy-lanh tác động kép, phần diện tích tiếp xúc với khí nén của piston nhỏ hơn khi thực hiện hành trình ra do thanh truyền của piston (piston rod) chiếm một không gian nhất định.

Lực tác động đối với XL tác động kép :

F = p.(πR² – πr²)

5.3. Công thực hiện trong Xy-lanh

Gọi W là công sinh ra trong 1 hành trình, F là lực tác động lên piston, L là chiều dài hành trình. Ta có:

W = F.L

5.4. Lực tạo ra bởi khí xả

Gọi p1 là áp lực khí cửa vào, p2 là áp lực khí xả ra, ta có áp suất có ích là (p1 – p2) và lực tác dụng lên piston là :

F = (p₁ – p₂).A = (p₁ – p₂).π.R²

5.5. Tốc độ piston

Tốc độ của xy-lanh được xác định bằng kích thước của van điều khiển và ống nối, độ lớn và loại tải cũng như áp suất khí, nói chung là :

V_H = (v.p.a/c.p.a).100

Với:

V_H là tốc độ trung bình khi tải nặng
v.p.a là diện tích của cửa van (valve port area)
c.p.a là diện tích bề mặt piston (cylinder piston area).

6. Lượng khí tiêu thụ trong Xy-lanh

Dung tích máy nén tương ứng với 1 piston là lượng khí nén được trong 1 phút và thực tế không phải tất cả thể tích khí phân phối tới piston bằng máy nén. Dung tích máy nén tương ứng với mỗi piston D là :

D = L.A.N

L là khoảng hành trình của piston

A là diện tích bề mặt piston

N là số hành trình của piston trong 1 phút.

7. Điều khiển tốc độ piston

Trong nhiều trường hợp yêu cầu điều chỉnh tốc độ hành trình ra và hành trình vào của 1 piston. Để điều chỉnh, thường dùng bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator).

7.1. Bộ điều chỉnh lưu lượng

Van điều khiển lưu lượng 1 chiều (unidirectional flow control valve) hay còn gọi là bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator) được sử dụng để điều khiển lưu lượng khí chỉ trong một chiều, còn chiều ngược lại thì khí có thể đi qua tự do.

Hình 15. Cấu tạo nguyên lý và ký hiệu bộ điều chỉnh lưu lượng (flow regulator)

7.2. Bộ giới hạn lưu lượng

Một thiết bị đơn giản hơn được dùng để điều chỉnh lưu lượng cả 2 chiều là bộ giới hạn 2 chiều (bidirectional restricter).

Hình 16. Ký hiệu bản vẽ bộ giới hạn lưu lượng (bidirectional restricter)

8 Mạch trễ thời gian

Mạch trễ thời gian, trong đó 1 cần piston bị giữ lại vài giây trước khi tự động hồi về là rất hữu ích trong những ứng dụng kẹp hoặc ấn yêu cầu áp suất duy trì trong một khoảng thời gian định trước.

Bộ phận quan trọng nhất trong mạch trễ là bình chứa (reservoir), nó có tác dụng tương tự như 1 đường ống dài nhưng có thể tích lớn hơn cho nên cần phải có 1 thời gian vài giây để áp suất qua nó đạt giá trị áp suất làm việc trong hệ thống.

Hình 17. Điều khiển xy-lanh tác động kép với thời gian trễ

9. Mạch xung

Mạch xung tránh trường hợp xung đột tín hiệu xảy ra ở van điều khiển 5/2 nếu như van điều khiển nó được giữ quá lâu.

10. Khí thoát và mạch nhạy cảm áp suất

Van màng mỏng (diapharm valve) hay van nhạy cảm áp suất (pressure-sensing valve). Nó có thể là van 3 cửa hoặc van 5 cửa, chức năng của loại van này là khuếch đại tín hiệu áp suất thấp nhờ 1 màng mỏng để cung cấp 1 áp suất lớn cần thiết để kích cho một vùng lỗ nhỏ của van con trượt (spool valve).

Hình 18. Mạch khí thoát

Hình 19. Mạch nhạy cảm áp suất