Khái niệm chung về hệ thống khí nén

Ngày nay, hệ thống khí nén với áp suất thấp đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa các máy sản xuất, trong các ngành công nghiệp khác nhau và được sử dụng để điều khiển các quá trình công nghiệp nhờ đặc tính chống nổ và dễ bảo trì sữa chữa. Khí nén đã đóng một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động. Vì vậy, hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về khái niệm chung của hệ thống khí nén này nhé!

1. Khái niệm chung

Hệ thống khí nén là hệ thống mà trong đó các thiết bị khí hoạt động nhờ sự tác động của khí nén. Bằng việc nén khí, năng lượng khí được tích lũy để cung cấp cho các hệ thống khí.
Các thiết bị khí có thể chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay: Các thiết bị khí chuyển động tịnh tiến như hệ thống đóng mở cửa tự động trên xe bus hoặc trên tàu hỏa, … Các thiết bị chuyển động quay như máy khoan, máy đánh bóng kim loại vận hành bằng khí nén, …

Hình 1. Các máy nén khi công nghiệp.

2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống vận hành bằng khí nén

2.1. Ưu điểm

Về tính khả thi: Khí nén được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cho những ứng dụng khác nhau từ việc khoan, mài cho đến sơn phun, … Ngày nay, ở các xí nghiệp công nghiệp đều trang bị hệ thống khí nén để cung cấp khí cho các máy công cụ.
Về độ tin cậy: Thiết bị khí làm việc tin cậy hơn các thiết bị điện và điện tử.
Khả năng thích nghi: Có thể tham gia vào quá trình tự động hóa, …
Tính an toàn cao: Máy nén khí hoạt động với độ an toàn cao hơn so với máy phát điện hoặc bơm thủy lực.
Về yêu cầu thay đổi tốc độ: Mạch khí có thể dễ dàng dùng để thay đổi tốc độ.
Về tính kinh tế: Hệ thống khí có chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp.
Khí có thể lấy dễ dàng từ không khí cũng như có thể xả ra môi trường xung quanh, nghĩa là hệ thống không cần đường hồi. Có thể hoạt động trong điều kiện môi trường không thuận tiện: các phần tử khí không bị ảnh hưởng bởi bụi, không bị mài mòn như các hệ thống điện và thủy lực, hệ thống khí có khả năng chịu được sự rung động và có thể hoạt động an toàn trong môi trường dễ cháy nổ, … đặc biệt thích hợp trong các nhà máy hóa chất, …

2.2. Nhược điểm

Sự thoát nhiệt khi khí bị nén là vấn đề cần quan tâm cho nên khí nén cần được làm lạnh nếu có thể.
Những động cơ khí chuyển động quay (được sử dụng trong máy nâng, máy trộn, máy mài, ) có hiệu suất rất thấp (khoảng 20%) so với động cơ điện (khoảng 90%). Tuy nhiên, động cơ khí bền hơn và có thể đạt được tốc độ cao hơn (như máy khoan dùng trong nha khoa, máy đánh bóng kim loại, …).

3. So sánh hệ thống khí nén với hệ thống thủy lực

Hình 2. Các máy nén khí vs máy ép thủy lực.

Công chất được dùng trong hệ thống khí nén là khí,còn trong hệ thống thủy lực là dầu thủy lực. Vì những đặc tính khác nhau giữa hai công chất này tạo nên sự khác nhau giữa hai hệ thống. Sau đây là những điểm khác nhau cơ bản của hai hệ thống này.

Khí và gas có khả năng nén, còn dầu thủy lực thì không.
Khí không có thuộc tính bôi trơn và còn bao gồm cả hơi nước, trong khi bôi trơn là chức năng cơ bản của dầu thủy lực.
Áp suất làm việc bình thường của khí thấp hơn nhiều so với áp suất làm việc của dầu thủy lực.
Công suất ra của hệ thống khí nhỏ hơn nhiều so với hệ thống thủy lực.
Độ chính xác của cơ cấu thực hiện khí thì thấp khi hoạt động ở tốc độ thấp, còn của dầu thì thỏa mãn mọi tốc độ.
Sự rò rỉ một lượng khí nhất định ra ngoài là chấp nhận được nhưng sự rò rỉ bên trong bản thân hệ thống là không thể chấp nhận được vì sự sai khác áp suất trong hệ thống khrí là rất nhỏ. Trong khi đó, với hệ thống thủy lực thì sự rò rỉ một lượng dầu nhất định bên trong hệ thống là chấp nhận được, nhưng sự rò rỉ ra ngoài là không thể chấp nhận được.
Trong hệ thống khí không cần đường khí hồi, nhưng trong hệ thống thủy lực là cần thiết.
Nhiệt độ làm việc bình thường trong hệ thống khí là 5 ÷ 60 độ C. Thực tế, hệ thống khí có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ 0 ÷ 200 độ C. Hệ thống khí không nhạy cảm với nhiệt độ, còn với hệ thống thủy lực thì ngược lại, độ nhớt của dầu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Nhiệt độ hoạt động bình thường của dầu là 20 ÷ 60 độ C.
Hệ thống khí có khả năng chống nổ, chống cháy còn hệ thống thủy lực thì không.

4. Ứng dụng của khí nén

Hình 3. Các loại máy nén tịnh tiến.

4.1. Trong lĩnh vực điều khiển

Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó nguy hiểm, hay xảy ra các vụ nổ, như các thiết bị phun sơn; các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất các thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an tòan cao. Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị xi mạ, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất.

4.2. Hệ thống truyền động

Các dụng cụ, thiết bị máy va đập:

Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vưc khai thác, như khai thác đá, khai thác than: trong các ngành 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 bang năng lượng khí nén và một động cơ điện có cùng 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 trong lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất.
Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan, công suất khoảng 3.5 kW; máy mài,công suất khoảng 2.5 kW, cũng như những máy mài có công suất nhỏ hơn, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp.

Truyền động thẳng:

Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh hãm của ô tô.

Trong các hệ thống đo và kiểm tra:

Dùng trong các trong các thiết bị đo và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Dùng trong các hệ thống bảo vệ các thiết bị (hệ thống báo động nồng độ hơi dầu các-te, ..)

Hình 4. Máy nén khí truyền động trực tiếp.

5. Các đơn vị đo trong hệ thống khí nén

5.1. Áp suất (P)

Áp suất (Pressure) là một đại lượng vật lý, được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt của vật thể.

Đơn vị cơ bản của áp suất theo hệ đo lường SI là Pascal. 1 Pascal là áp suất phân bố điều lên bề mặt có diện tích 1m² với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N).

1 Pascal (Pa) = 1 N⁄m².

1 Pa = 1 Kg. m⁄s²⁄m² = 1 Kg⁄ms².

Bảng 1. Mối tương quan của các đơn vị đo áp suất.

5.2. Lực (N)

Lực (Force) là bất kỳ ảnh hưởng nào làm một vật thể chịu sự thay đổi, hoặc là ảnh hưởng đến chuyển động, hướng của nó hay cấu trúc hình học của nó.

1 N = 1 Kg.(s/m²)

1 Newton (N) là lực tác động lên đối trọng có khối lượng là 1 Kg với gia tốc là 1m/s².

Bảng 2. Mối liên hệ giữa các đơn vị đo về lực (theo DIN).

5.3. Công (J)

Công là một đại lượng vô hướng có thể mô tả là tích của lực với quãng đường dịch chuyển mà nó gây ra, và nó được gọi là công của lực.

Đơn vị SI của công là joule (J), được định nghĩa là công thực hiện bởi một newton làm dịch chuyển một đoạn có chiều dài một mét.

1 J = 1 N. m.

1 J =1 (kg.m²)/s².

Bảng 3. Mối liên hệ giữa các đơn vị đo về công (theo DIN).