Tổng quan về thiết bị khí nén

1. Khái niệm khí nén:

Khí nén là không khí được nén lại với áp suất cao để sinh ra năng lượng bằng cách chuyển đổi thế năng khí nén thành động năng của các cơ cấu chấp hành. Không khí là loại năng lượng có sẵn trong thiên nhiên khi nén lại có thể dùng để thay thế các loại năng lượng khác. Nó thường được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong các ngành công nghiệp, y tế… Luôn đi kèm với nó là các thiết bị khí nén.

2. Đặc trưng ưu điểm của khí nén và thiết bị khí nén:

– Về số lượng: có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn.

– Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với một khoảng cách nhất định. Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện xong công tác.

– Về lưu trữ: thiết bị khí nén – máy nén khí, van điện từ không nhất thiết phải hoạt động liên tục. Khí nén có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết.

– Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ.

– Về phòng chống cháy nổ: không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên không mất chi phí cho việc phòng chống cháy. Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp.

– Về Tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch, không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh. Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm, vải sợi, lâm sản và thuộc da.

– Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác.

– Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy – lanh thường từ 1 – 2 m/s).

– Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén được điều chỉnh một cách vô cấp.

– Về sự quá tải: các công cụ và các thiết bị được khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xảy ra quá tải.

– Các dạng truyền động sử dụng khí nén:

• Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm…
• Truyền động quay: trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lượng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dưới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn vòng/phút. Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện.

– Những ưu, nhược điểm cơ bản:
Ưu điểm:
– Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng.
Trong thực tế vận hành, người ta thường xây dựng trạm nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc…
– Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ;
– Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại cho môi trường.
– Tốc độ truyền động cao, linh hoạt;
– Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác;
– Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.

Nhược điểm:
– Công suất truyền động không lớn. Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện;
– Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực hiện.
– Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.
Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống khí nén, người ta thường kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng các giải pháp điều khiển khác nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình, máy tính…

3. Cấu trúc của hệ thống khí nén ( The structure of Pneumatic Systems)

Hệ thống thiết bị khí nén thường bao gồm các khối thiết bi:
– Trạm nguồn gồm: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý khí nén( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…),…
– Khối điều khiển gồm: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành.
– Khối các thiết bị chấp hành: Xilanh, động cơ khí nén, giác hút…
Dựa vào dạng năng lượng của tín hiệu điều khiển, người ta chia ra hai dạng hệ thống khí nén: Hệ thống điều khiển hoàn toàn bằng khí nén, trong đó tín hiệu điều khiển bằng khí nén và do đó kéo theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén
– Gọi là Hệ thống điều khiển bằng khí nén ( Hình 1.1a) và Hệ thống điều khiển điện – khí nén – các phần tử điều khiển hoạt động bằng tín hiệu điện hoặc kết hợp tín hiệu điện – khí nén (Hình 1.1b).