Phan 1-chuong-3-hoat-dong-va-ung-dung-cac-phan-tu-khi

1. PHẦN 1:
KHÍ NÉN
Nội dung phần này: gồm 8 chương
Chương 1: Khái niệm chung về hệ thống khí nén
Chương 2: Nguồn cung cấp khí nén
Chương 3: Hoạt động và ứng dụng các phần tử khí
Chương 4: Mạch điều khiển
Chương 5: Các phần tử và mạch logic khí
Chương 6: Điều khiển điện trong mạch khí
Chương 7: Hệ thống áp suất
Chương 8: Các bộ điều khiển khí

2. CHƯƠNG 3
HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG
CÁC PHẦN TỬ KHÍ
Nội dung: Cung cấp cho sinh viên về cấu trúc, hoạt
động, và ứng dụng của các phần tử khí.
Giới thiệu một số mạch điều khiển xy-lanh
cơ bản.

3. 3.1 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).

4. 3.1.1 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

5. 3.1.1 Xy-lanh tác động đơn (tt)
Cấu trúc xy-lanh tác động đơn và ký hiệu:
Ứng dụng xy-lanh tác động đơn trong hệ thống
phanh:

6. 3.1.2 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
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu xy-lanh tác động
kép như hình vẽ 3.5.
Hình 3.5

7. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu xy-lanh tác động
kép như hình vẽ 3.6.
Hình 3.6

8. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.9.
Hình 3.9
Xy-lanh tác động kép có vòng đệm (cushioned double
acting cylinder)

9. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.11
Hình 3.11
Xy-lanh nối đôi

10. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.13
Hình 3.13
Xy-lanh có cần piston 2 phía:

11. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.14
Hình 3.14
Xy-lanh moment

12. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Cấu trúc nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.17
Hình 3.17
Xy-lanh xung động (Impact cylinder)

13. 3.1.2 Xy-lanh tác động kép (tt)
Nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.18
Hình 3.18
Xy-lanh nhiều vị trí (mul-ti position cyinder)

14. 3.1.3 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).

15. 3.1.3 Xy-lanh không có cần
piston (Rodless cylinder)
Nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.20, 21
Hình 3.20, 21
Xy-lanh kiểu dây đai

16. 3.1.3 Xy-lanh không có cần
piston (Rodless cylinder)
Nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.22
Hình 3.22
Xy-lanh kiểu đai phẳng với ống xy-lanh kiểu trượt

17. 3.1.3 Xy-lanh không có cần
piston (Rodless cylinder)
Nguyên lý và ký hiệu như hình vẽ 3.23
Hình 3.23
Xy-lanh với bộ ly hợp bằng từ

18. 3.2 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)

19. 3.2 Động cơ khí nén (Pneumatic
motor) (tt)
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.
• Không nhạy cảm nhiều với bụi bẩn, nước, nhiệt độ.

20. 3.2.1 Động cơ piston
Động cơ khí nén kiểu piston được chia làm 2 loại:
• Động cơ hướng kính (radial piston motor).
• Động cơ hướng trục (axial piston motor).
Hình 3.24

21. 3.2.2 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 3.25
Cửa nối với
đường khí nén
Trục
động cơ
Cánh gạt
Vỏ

22. 3.2.2 Động cơ cánh gạt
Động cơ cánh gạt và hộp giảm tốc:
Hình 3.27
Bánh răng
thẳng
Bánh răng
nghiêng
Bánh răng
trục vít

23. 3.2.2 Động cơ cánh gạt
Nguyên lý hoạt động động cơ cánh gạt:
Hình 3.26
Inlet Outlet Outlet Inlet
1
2
3
4

24. 3.2.3 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.

25. 3.2.4 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.

26. 3.3 Điều khiển XL 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).
• Van thường mở (NO - Normally open).
1
2
3
1
2
3
Hình 3.26 Cấu trúc van thường đóng Hình 3.27

27. 3.3 Điều khiển XL tác động đơn
Hình 3.28 Cấu trúc van thường mở Hình 3.29
1
2
3
1
2
3

28. 3.3 Điều khiển XL tác động đơn
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.

29. Ký hiệu trên bản vẽ:
3.3 Điều khiển XL tác động đơn
1
3
2 1
3
2 1
3
2 1
3
2
(a) (b) (c) (d)
Hình dạng:

30. 3.3 Điều khiển XL tác động đơn
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)

31. Ký hiệu trên bản vẽ:
3.3 Điều khiển XL tác động đơn

32. Hình dạng:
3.3 Điều khiển XL tác động đơn

33. 3.3 Điều khiển XL tác động đơn
Ví dụ 3.1:

34. 3.3 Điều khiển XL tác động đơn
Ví dụ 3.2:

35. 3.4 Điều khiển XL tác động kép

36. 3.4.1 Điều khiển XL tác động
kép bằng van 5 cửa
Hình 3.35 vẽ mô tả 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 3.35

37. 3.4.1 Điều khiển XL tác động
kép bằng van 5 cửa
Cấu trúc của van 5 cửa:
1-Thân van;
2-Thân van điều khiển;
3-Head cover; 4-Ti van;
5-End cover; 6-Piston;
7-Cơ cấu tác động;
8-Valve seat (A);
9-Valve seat (B);
10-Valve; 11-Lò xo
van; 12-Lò xo hồi;
13-Lò xo phản kháng ti
van

38. 3.4.1 Điều khiển XL tác động
kép bằng van 5 cửa
Hình dạng van điều khiển

39. 3.4.1 Điều khiển XL tác động
kép bằng van 5 cửa
Ví dụ 3.3:

40. 3.4.2 Điều khiển XL 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 3.40

41. 3.4.2 Điều khiển XL tác động
kép bằng van tác động khí
Ví dụ 3.4:

42. 3.4.3 Điều khiển XL ở 2 vị trí
Nếu một xy-lanh được điều khiển bởi 1 trong 2 vị
trí thì ta dùng van chặn (shuttle valve) như sau:
Điều khiển tại 1 trong 2 vị trí :
Hình 3.42

43. 3.4.3 Điều khiển XL ở 2 vị trí
Điều khiển tại 1 trong 2 vị trí :
Ví dụ 3.5:
Mạch bên thực
hiện phép toán
OR (a OR b).

44. 3.4.3 Điều khiển XL ở 2 vị trí
Điều khiển tại 1 trong 2 vị trí :
Ví dụ 3.6:
Một cách thức khác để thực hiện phép toán logic
OR được mô tả trên hình vẽ bên

45. 3.4.3 Điều khiển XL ở 2 vị trí
Điều khiển đồng thời tại 2 vị trí :
Việc thực hiện toán tử logic AND (a AND b) để
điều khiển xy-lanh được mô tả trên hình vẽ sau:
Ví dụ 3.7

46. 3.4.3 Điều khiển XL ở 2 vị trí
Điều khiển đồng thời 2 xy-lanh:
Nhiều xy-lanh có thể
hoạt động đồng thời
nhờ các cút nối chữ
T và đường ống nối
tới các xy-lanh.
Ví dụ 3.8

47. 3.4.4 Điều khiển đồng thời 2 XL
Một van 5 cửa có thể điều khiển đồng thời 2 xy-
lanh tác động kép như trên hình sau:
VD 3.9

48. 3.4.5 Đồng bộ 2 xy-lanh
Vấn đề đồng
bộ sự hoạt
động của 2
xy-lanh bằng
các bộ điều
chỉnh lưu
lượng (flow
regulator)
phù hợp như
mô tả trên
hình bên:
VD 3.10

49. 3.4.5 Đồng bộ 2 xy-lanh
Phương pháp tốt nhất là sử dụng các van điều
khiển riêng cho mỗi xy-lanh như mô tả trên hình
sau:

50. 3.5 Lực tạo ra bởi XL

51. 3.5.1 Lực tác động ở hành trình
ra (out-stroke) của XL
Về lý thuyết, giả sử hiệu suất trong xy-lanh là
100% thì ta có công thức sau:
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:
Đối với xy-lanh tác động kép:

52. 3.5.2 Lực tác động ở hành trình
vào (in-stroke) của XL
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:
Thực tế, lực do XL tạo ra được tính theo biểu thức:

53. 3.5.3 Công thực hiện trong XL
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:

54. 3.5.4 Tính toán đường kính XL
Ta dễ dàng thấy rằng:

55. 3.5.5 Lực tạo ra bởi khí xả
Ở giai đoạn hành trình ra:
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:

56. 3.5.6 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:
VH - 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).
Tốc độ không tải của xy-lanh được xác định bằng:
Vo - là tốc độ không tải. Thông thường, VH khoảng 300
mm/s, còn Vo khoảng 450 mm/s.

57. 3.6 Lượng khí tiêu thụ trong XL
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:
Trong đó:
• L - là khoảng hành trình của piston,
• A - là diện tích bề mặt piston,
• N - số hành trình của piston trong 1 phút.

58. 3.7 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).

59. 3.7.1 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.

60. 3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng
Trở lại việc điều
khiển xy-lanh tác
động kép bằng van 5
cửa và yêu cầu tốc
độ hành trình vào
thấp hơn bình
thường thì ta nối
vào mạch khí tương
ứng 1 bộ điều chỉnh
lưu lượng, cửa 1 nối
càng gần xy-lanh
càng tốt
VD 3.11

61. 3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng
Nếu muốn điều khiển
tốc độ piston trong cả
2 chiều thì phương án
tốt nhất là ta sử dụng
sơ đồ như hình bên:
VD 3.12

62. 3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng
Nếu ta dùng sơ đồ nối 2
bộ điều chỉnh lưu lượng
ngược nhau như hình
bên thì cũng giải quyết
được vấn đề điều khiển
tốc độ piston trong cả 2
chiều:
VD 3.13

63. 3.7.1 Bộ điều chỉnh lưu lượng
Về vấn đề điều khiển tốc độ hành trình vào và ra
của xy-lanh tác động đơn, vì không có đường khí
xả nên phải dùng 2 bộ điều khiển nối ngược nhau
như hình vẽ sau:
VD 3.14

65. 3.7.2 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).
1- Thân van;
2- Nắp van;
3- Núm chỉnh
định đặt;
4- Piston;
5- Ti van
6- Lò xo phản
kháng của van;
7- Lò xo chỉnh
định đặt

66. 3.7.2 Bộ giới hạn lưu lượng
Bộ giới hạn lưu lượng
2 chiều điều khiển
hành trình vào của
xy-lanh tác động kép
như hình bên:
VD 3.15

67. 3.8 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

68. 3.8 Mạch trễ thời gian
Điều khiển xy-lanh tác động kép với thời gian trễ
trên hành trình ra:
VD 3.16
1 35
4 2
3 1
2
1 2 1 4 12
reservoir
3
1
2
a
b
Xy-lanh A
c

69. 3.9 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. Những mạch như thế này rất
quan trọng trong điều khiển chuỗi.
1
3
2
a
15 3
24
1 2 1 4
1
2

70. 3.10 Khí thoát và mạch nhạy
cảm áp suất
1. Van 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)

71. 3.10 Khí thoát và mạch nhạy
cảm áp suất
2. Mạch khí thoát
Van màng mỏng được sử dụng
rất hữu ích khi nối với đường
khí thoát.
Mạch ở hình bên được dùng để
báo hiệu xe vào garage.

72. 3.10 Khí thoát và mạch nhạy
cảm áp suất
2. Mạch khí thoát (tt.)
Mạch khí thoát cũng có thể sử
dụng để thiết kế 1 bộ đếm khí như
trên hình bên:

73. 3.10 Khí thoát và mạch nhạy
cảm áp suất
3. Mạch nhạy cảm áp suất (pressure-sensing circuits)
Mạch tự động
trở về của
piston sử dụng
mạch nhạy cảm
áp suất như
hình bên:
1 35
2 4
1 2 1 4
Xy-lanh A
1
2
3
1
2
3
1
2
a
c
b
x