Khí nén làm nguồn động lực cơ học

Điều khiển chuyển động công nghiệp ngày càng chịu ảnh hưởng bởi những môi trường mà điện không phải lúc nào cũng là lựa chọn an toàn nhất. Động cơ khí, còn được gọi là động cơ khí nén, chuyển đổi khí nén thành lực quay liên tục, thay thế truyền động điện trong một số tình huống rủi ro cao.

Khác với các máy điện thông thường, những hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào nguồn khí được nén. Sự thay đổi này loại bỏ nguy cơ phát tia lửa điện trong khi vẫn cung cấp công suất cơ học ổn định cho các hoạt động đòi hỏi cao.

Khí nén thường hoạt động trong phạm vi 4–6 bar, đủ để kích hoạt các hệ thống rôto bên trong và tạo ra mô-men xoắn hữu ích cho các công cụ, cơ cấu chấp hành công nghiệp.

Vì sao các ngành công nghiệp xem xét lại chuyển động khí nén

Người vận hành thường đánh giá thấp mức độ phù hợp của các hệ thống khí nén trong tự động hóa hiện đại. Trong môi trường dễ cháy nổ hoặc nhiều bụi, chuyển động bằng khí loại bỏ các dạng hỏng hóc chính liên quan đến hồ quang điện và hiện tượng quá nhiệt.

Điều này khiến động cơ khí trở thành lựa chọn nhất quán trong các ngành công nghiệp quy trình, nơi biên độ an toàn được ưu tiên hơn hiệu suất năng lượng.

Cơ chế bên trong động cơ khí nén

Động cơ khí hoạt động nhờ sự giãn nở có kiểm soát của khí nén bên trong các buồng kín. Quá trình chuyển đổi năng lượng này tạo ra chuyển động quay mà không cần cuộn dây điện hoặc từ trường.

Kiến trúc đơn giản giúp giảm ứng suất nhiệt và cho phép vận hành liên tục trong các điều kiện có tải mà thường khiến động cơ điện bị dừng.

Hệ thống cánh gạt và khả năng tạo mô-men xoắn liên tục

Động cơ khí dạng cánh gạt chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp nhờ thiết kế cân bằng. Một rôto lệch tâm và các cánh gạt trượt chia buồng thành nhiều túi khí, tạo ra các chênh lệch áp suất tuần tự.

Các vùng áp suất này buộc rôto quay liên tục, cung cấp mô-men xoắn ổn định trong nhiều điều kiện tải khác nhau.

Hình 1. Cấu trúc động cơ khí dạng cánh gạt quay, thể hiện sự phân đoạn của buồng khí bên trong và động lực học dịch chuyển của rôto.

Cấu hình pít-tông cho nhu cầu mô-men xoắn cao

Thiết kế dựa trên pít-tông sử dụng nhiều xi-lanh bố trí xung quanh một trục trung tâm. Khí nén luân phiên tác động lực lên các pít-tông, tạo ra mô-men xoắn mạnh ở tốc độ thấp.

Kiến trúc này được sử dụng rộng rãi trong các công cụ hạng nặng và hệ thống siết công nghiệp, nơi lực được kiểm soát quan trọng hơn tốc độ.

Vận hành tốc độ cao dựa trên tua-bin

Động cơ khí dạng tua-bin ưu tiên tốc độ quay hơn mô-men xoắn. Khí đi qua các cánh cong, làm quay rôto tương tự như một hệ thống tua-bin nhỏ gọn.

Những hệ thống này thường được lựa chọn cho các ứng dụng nhẹ, tốc độ cao, yêu cầu lực cản cơ học tối thiểu.

Hình 2. Các cụm động cơ khí nén thể hiện nhiều cấu hình công nghiệp và cách bố trí cơ khí khác nhau.

Nơi động cơ khí thay thế truyền động điện

Động cơ khí đóng vai trò quan trọng trong những môi trường mà việc kiểm soát nguồn gây cháy và an toàn nhiệt chi phối thiết kế hệ thống. Việc sử dụng chúng không mang tính phổ quát mà tập trung cao độ vào một số lĩnh vực công nghiệp cụ thể.

Môi trường quy trình nguy hiểm

Trong các nhà máy hóa chất, hoạt động khai khoáng và khu vực sản xuất nhiều bụi, hệ thống khí nén làm giảm nguy cơ cháy nổ do phóng điện gây ra.

Việc không có dòng điện loại bỏ một trong những nguồn gây cháy phổ biến nhất trong môi trường dễ bay hơi.

Tích hợp vào hệ thống điều khiển chuyển động

Động cơ khí thường được kết hợp với các bộ điều chỉnh lưu lượng và áp suất cơ học để đạt được khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn biến thiên. Điều này khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế hữu dụng trong các hệ sinh thái chuyển động rộng hơn, đặc biệt khi bộ truyền động và hệ thống điều khiển chuyển động được triển khai cho các kiến trúc tự động hóa lai.

Trong nhiều nhà máy, cơ cấu chấp hành khí nén và hệ thống servo điện cùng tồn tại, mỗi loại đáp ứng những giới hạn khác nhau về rủi ro và hiệu suất.

So sánh với kiến trúc truyền động điện

Động cơ điện chiếm ưu thế trong tự động hóa chính xác, nhưng chúng tạo ra rủi ro về nhiệt và điện trong môi trường dễ bay hơi. Hệ thống khí nén loại bỏ những hạn chế đó, đổi lại là hiệu suất thấp hơn.

Trong cơ sở hạ tầng hỗ trợ như các linh kiện điện nguồn, kỹ sư vẫn thiết kế những hệ thống lai, trong đó khí nén đảm nhiệm các tác vụ chuyển động an toàn khi có sự cố hoặc trong môi trường nguy hiểm.

Hình 3. Triển khai động cơ khí trong những môi trường hạn chế vận hành bằng điện do các yêu cầu an toàn.

Vì sao khí nén vẫn quan trọng trong công nghiệp hiện đại

Dù các bộ truyền động servo và cơ cấu chấp hành điện thông minh đã có nhiều bước tiến, động cơ khí vẫn giữ được tính phù hợp. Khả năng chịu quá tải và tính đơn giản về cơ khí khiến chúng hấp dẫn trong các hoạt động quan trọng về an toàn.

Khác với động cơ điện, hệ thống khí nén chịu được tình trạng kẹt mà không gây hư hỏng cuộn dây hoặc mất kiểm soát nhiệt. Đặc tính này làm giảm độ phức tạp trong bảo trì ở những môi trường khắc nghiệt.

Những đánh đổi kỹ thuật vẫn có lợi cho hệ thống khí

Hiệu suất năng lượng vẫn là một hạn chế. Tuy nhiên, độ tin cậy trong các khu vực nguy hiểm thường được ưu tiên hơn những mối lo về hiệu suất trong quá trình ra quyết định công nghiệp.

Khi tự động hóa mở rộng vào những môi trường khắc nghiệt hơn, hệ thống khí nén vẫn là một công nghệ dự phòng ổn định thay vì một giải pháp lỗi thời cần thay thế.

Góc nhìn kỹ thuật về chuyển động khí nén

Động cơ khí là một giải pháp thỏa hiệp thực tế về kỹ thuật thay vì một công nghệ lỗi thời. Vai trò của chúng không phải là cạnh tranh trực tiếp với truyền động điện, mà là hoạt động ở những nơi điện gây ra rủi ro không thể chấp nhận.

Trong thiết kế công nghiệp hiện đại, chúng đóng vai trò như một lớp chuyển động ưu tiên an toàn, bổ trợ cho các hệ thống điều khiển điện tử thay vì thay thế chúng.

*Daniel Mercer, Phóng viên Hệ thống Công nghiệp, có 14 năm kinh nghiệm trong các dự án tích hợp tại hiện trường của ABB và Emerson, chuyên phân tích hệ thống điều khiển chuyển động và tự động hóa quy trình*