XT Mechanical Blog xin chào các bạn. Ở bài trước: “Phương pháp dùng giác hút nâng vật dạng tấm mỏng – Mạch khí nén làm giảm áp suất đẩy ép”, chúng ta đã sử dụng giác hút chân không trong bài toán vận chuyển và đã đề cập đến áp suất đẩy ép. Trên thực tế, giác hút chân không được ứng dụng rất rộng rãi do cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và áp dụng được cho nhiều đối tượng (vật hút). Và chức năng cơ bản của nó là hút và giữ vật, kết hợp với các cơ cấu chuyển động như Robot, Robo cylinder…để tạo nên một cơ cấu hoàn chỉnh “cánh tay và bàn tay” từ những ứng dụng sắp xếp các thùng hàng lớn đến việc di chuyển các linh kiện điện tử bé nhỏ…vv

Trong bốn phần của bài viết ngày hôm nay, chúng ta sẽ đi từ nguyên lý cơ bản của chân không để hiểu rõ hơn về cách hút và giữ vật của giác hút, làm cách nào để tạo ra được áp suất chân không, sơ đồ hệ thống và cuối cùng là tổng kết ưu nhược điểm của nó:

1. Áp suất chân không là gì
2. Nguyên lý làm việc của Vacuum ejector
3. Sơ đồ khí nén của hệ thống sử dụng giác hút chân không
4. Ưu nhược điểm của hệ thống sử dụng giác hút chân không

 

1. Áp suất chân không là gì

Chân không là trạng thái có áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, nhiều khi còn được gọi là "áp suất âm". Ví dụ đơn giản là khi hút không khí bên trong một bình chứa nào đó ra bên ngoài làm giảm áp suất bên trong bình, nếu áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, bên trong bình chứa sẽ ở trạng thái "chân không".

Áp suất khí quyển là độ lớn của áp lực do khối lượng không khí (bao quanh trái đất) tác dụng lên một đơn vị diện tích. Càng lên cao, áp suất khí quyển sẽ càng thấp, và ngược lại ở độ cao càng thấp, nó sẽ càng cao. Nói chung, áp suất khí quyển đề cập đến áp suất khí tác dụng lên mực nước biển (tức lấy mực nước biển có độ cao = 0m). Không khí ở điều kiện tiêu chuẩn được sử dụng trong tính toán lý thuyết được gọi là không khí tham chiếu tiêu chuẩn, có nhiệt độ 20 ° C, độ ẩm tương đối là 65% và áp suất khí quyển lúc này là 0.1 MPa.

 

Hình 1. Sự phụ thuộc của áp suất khí quyển vào độ cao và thời tiết

Lực sinh ra bởi chân không, nói cách khác là lực hút chân không là sự chênh lệch áp suất giữa áp suất khí quyển và áp suất chân không, nhân với diện tích mà áp suất khí quyển đẩy về phía chân không (phía chân không gọi là “diện tích hút”). Do đó, ngay cả ở mức tối đa, lực hút chân không cũng không vượt quá được lực gây nên bởi áp suất khí quyển. Ngoài ra, nếu áp suất khí quyển dao động, lực hút chân không cũng sẽ dao động theo.

Có hai loại ký hiệu cho áp suất: “áp suất tuyệt đối” và “áp suất đồng hồ”. Áp suất tuyệt đối là áp suất được biểu thị với điểm mốc (điểm không) là áp suất chân không lí tưởng, và áp suất đo “đồng hồ” là áp suất được hiển thị với áp suất khí quyển (áp suất tuyệt đối 101.3 kPa) làm chuẩn (điểm không). Ví dụ để phân biệt cách viết và gọi giữa hai loại này, người ta sử dụng 80kPaabs, 80kPaG, “abs” cho áp suất tuyệt đối và “G” cho áp suất đồng hồ. Thông thường, áp suất chân không thường được sử dụng là áp suất đồng hồ nên lấy áp suất khí quyển là mốc “0”, do áp suất chân không bé hơn áp suất khí quyển nên có thể biểu thị bằng dấu “-“ chẳng hạn như -80kPa.

Hình 2. Áp suất tuyệt đối và áp suất đồng hồ

2. Nguyên lý làm việc của Vacuum ejector

Vacuum ejector sử dụng khí nén (áp suất dương) để tạo ra chân không (áp suất âm) bằng cách đẩy khí nén ra khỏi vòi phun nên người ta thường gọi là “ejector” (phun) hoặc "ejector pump" (bơm phun) chân không.

Hình 3. Nguyên lý tạo ra chân không của Vacuum ejector

Nguyên lý ở hình 3 có thể được mô tả qua các bước như sau:

• Khí nén được cung cấp cho cổng cấp (phía sơ cấp), khí cấp sẽ được dẫn đến vòi phun.
• Theo định lý lưu lượng chất lỏng (khí)*, do vòi phun có đường kính nhỏ hơn rất nhiều lần so với cổng cấp nên khí nén sau khi đi qua vòi phun sẽ được giải phóng vào buồng khuếch tán với tốc độ cao (tốc độ âm thanh), khuếch tán mở rộng ra và lại chảy vào ống khuếch tán.
• Áp dụng định luật Bernoulli** cho dòng chảy không khí này thì ta thấy áp suất trong buồng khuếch tán giảm do dòng chảy tốc độ cao, và không khí từ cổng chân không (phía thứ cấp) sẽ chảy vào buồng khuếch tán qua tiết diện cố định sẽ tạo nên “lực hút” chân không.
• Cùng với khí nén thoát ra từ vòi phun, không khí thứ cấp vào được giải phóng vào bầu khí quyển qua ống khuếch tán – cổng thoát khí (cổng thoát khí được thiết kế có đường kính to hơn so với ống khuếch tán nhằm mục đích giảm tốc độ của dòng khí thải, tránh va đập ảnh hưởng đến môi trường xung quanh).

*Định lý lưu lượng chất lỏng (khí)

**Định luật Bernoulli cho ống dòng nằm ngang

Ngoài dùng nguyên lý sử dụng Vacuum ejector như ở trên, người ta còn sử dụng phương pháp khác tạo ra chân không đó là dùng bơm chân không. Phương pháp này sẽ có giá thành cao hơn nhưng lực hút chân không sẽ ổn định, độ ồn thấp hơn và rất phù hợp với nhưng nơi không được thiết lập hệ thống đường ống khí nén.

3. Sơ đồ khí nén của hệ thống sử dụng giác hút chân không

Ở mục trước ta đã biết khi cấp khí nén vào phía sơ cấp của Vacuum ejector thì phía thứ cấp xuất hiện luồng khí “chân không” chảy vào, tạo nên lực hút chân không, khi cổng thứ cấp này được gắn với giác hút sẽ tạo nên lực hút giữ vật. Với nguyên lý “đơn giản” như vậy được thể hiện trong hình dưới:

Hình 4. Sơ đồ “đơn giản” của hệ thống sử dụng giác hút chân không

Ở sơ đồ trên, khi muốn nhả vật ta chỉ cần khóa dòng khí nén chảy vào Vacuum ejector thông qua van điện từ, với trọng lực và vật sẽ tự nhả ra. Tuy nhiên do trong đường ống và các thiết bị khí nén vẫn còn dư áp suất chân không nên vật sẽ không tự nhả ra ngay, đặc biệt là đối với những vật nhẹ thậm chí ngắt van điện từ rồi nhưng vật cũng không tự nhả ra được. Nên tại thời điểm khóa van nếu ta tìm cách “bơm cưỡng chế ngược lại giác hút” một áp suất nhỏ đủ để vật nhả ra ngay lập tức mà không bị thổi bay thì sẽ giải quyết được vấn đề vật không tự nhả ra hoặc để giảm thời gian nhả vật. Lực gây ra bởi áp suất cưỡng chế này gọi là “lực công phá”.

Trên thực tế hệ thống giác hút chân không không chỉ đơn giản như ở hình 4 mà còn có thêm bộ phận tạo “lực công phá” kèm các van điện từ phối hợp giúp điều chỉnh được lưu lượng, thời gian công phá qua đó điều chỉnh được thời gian và tốc độ thả vật. Thêm nữa hệ thống còn lắp thêm cảm biến áp suất chân không có hiển thị để quan sát được mức độ áp suất chân không, cũng như tạo tín hiệu nhận biết được vật có được hút lên một cách bình thường hay không (từ lúc trước bắt đầu hút vật tới lúc hút vật ổn định thì áp suất chân không sẽ tăng (về phía âm) và bằng với một giá trị nằm trong khoảng cố định nào đó có nghĩa là vật được hút lên một cách bình thường).

Hình 5. Sơ đồ của hệ thống sử dụng giác hút chân không

4. Ưu nhược điểm của hệ thống sử dụng giác hút chân không

Sử dụng giác hút chân không mang lại những ưu điểm sau:

• Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, dễ dàng thiết kế và ứng dụng
• Ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực (chỉ cần vật có bề mặt có thể hút được)
• Ví trí của vật không cần định vị vị trí chính xác cao
• Áp dụng được với những vật mềm, dễ bị biến dạng nếu dùng tay gắp

Tuy nhiên, có một số điểm lưu ý khi sử dụng giác hút chân không như sau:

• Đối tượng mà giác hút có thể sử dụng được phải không có tính thông khí, có bề mặt nhất định và không quá dễ bị biến dạng lúc hút
• Vật được hút giữ bằng giác hút trong lúc vận chuyển nên tùy điều kiện mà vật có thể bị rơi
• Nếu vật ở trong môi trường có chất lỏng, bụi thì những thứ này có thể bị hút vào trong giác hút, có thể gây tắc mạch khí nén
• Trong trường hợp cần giữ vật với lực hút lớn thì cần có diện tích hút lớn (chọn giác hút có tiết diện lớn) và đôi khi phải tăng số lượng giác hút. Vì vậy trong trường hợp chỉ dùng khí nén + Vacuum ejector mà áp suất chân không không đủ, cần thiết phải lắm thêm bơm – động cơ để tạo ra chân không với áp suất (chân không) cao hơn
• Tuy điều kiện và môi trường sử dụng mà giác hút (cao su) hao mòn nhanh hay chậm

Trên đây, chúng ta đã tìm hiểu về nguyên lý chân không và cách tạo ra nó. Ở bài viết tiếp theo, cũng là nội dung chính của chuỗi bài viết về giác hút chân không này. Đó là những tính toán cần thiết và các bước chọn giác hút chân không, các bạn hãy cùng chờ đón đọc nhé.

Xin chào và hẹn gặp lại!

 

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Tài liệu tham khảo:

[1] https://convum.co.jp/

[2] https://www.pisco.co.jp/

[3] https://www.smcworld.com/