Motor Khí Nén Là Gì? Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động, Kiểm Tra Bảo Dưỡng

Motor khí nén (động cơ khí nén, air motor) là động cơ biến năng lượng của khí nén, thường ở áp 6 bar, thành chuyển động quay của trục. Nó dùng nhiều trong dụng cụ cầm tay (súng bắn ốc, máy mài hơi, máy khoan hơi), máy khuấy sơn, tời hơi và những chỗ có hơi xăng dầu, bụi dễ cháy. Chọn motor khí nén theo momen và tốc độ cần ở trục, rồi tính ngược ra lưu lượng khí và công suất máy nén khí phải có.

Nhiều người gọi lẫn "motor khí nén" với "motor máy nén khí". Hai thứ ngược nhau: motor máy nén khí là motor điện quay đầu nén để tạo ra hơi, còn motor khí nén là thứ xài hơi để quay. Bài này nói cả hai, vì muốn chạy motor khí nén thì trước hết phải có máy nén khí đủ sức.

1) Motor khí nén là gì, khác motor điện ở đâu

Khí nén từ đường ống đi vào buồng motor, giãn nở và đẩy cánh gạt hoặc piston, từ đó làm quay trục. Khí sau khi sinh công thoát ra cửa xả, thường qua bộ tiêu âm. Không có cuộn dây, không có tia lửa ở cổ góp, nên motor khí nén chạy được ở môi trường có khí gas, dung môi, bụi than, bụi bột mà motor điện thường dễ gây cháy.

Áp suất làm việc phổ biến của hệ khí nén nhà xưởng là 6–7 bar (khoảng 87–100 psi), không phải hàng nghìn psi như bình khí CNG hay bình lặn. Motor khí nén chuẩn công nghiệp hầu hết tính công suất định mức ở 6 bar.

• Khác motor điện thứ nhất: motor khí nén bị ghìm đứng (kẹt tải) cũng không cháy, khi nhả tải là chạy tiếp.
• Thứ hai: tốc độ chỉnh bằng van tiết lưu hoặc van điều áp, không cần biến tần.
• Thứ ba: nặng chỉ bằng khoảng 1/4 đến 1/3 motor điện cùng công suất.
• Thứ tư: tốn năng lượng hơn nhiều, vì khí nén là dạng năng lượng đắt (xem mục 5).

2) Phân loại và cấu tạo motor khí nén

a) Motor khí nén cánh gạt (vane motor)

Loại thông dụng nhất. Một rotor đặt lệch tâm trong xi lanh, trên rotor có 3–10 cánh gạt trượt trong rãnh. Khí vào làm các cánh văng ra áp sát thành xi lanh, buồng giữa hai cánh nở dần ra và rotor bị đẩy quay. Tốc độ không tải thường từ vài nghìn tới hơn 20.000 vòng/phút, công suất từ vài chục W tới khoảng 20kW. Đây là loại có trong máy mài hơi, máy khoan hơi, máy khuấy sơn thùng 200 lít.

b) Motor khí nén piston (hướng kính và hướng trục)

Gồm 3–6 piston xếp hình sao (hướng kính) hoặc song song với trục (hướng trục), qua tay biên và trục khuỷu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay. Tốc độ thấp, cỡ vài trăm tới khoảng 3.000 vòng/phút, nhưng momen khởi động lớn và đều. Dùng cho tời hơi, máy khuấy đặc, máy kéo neo, thiết bị khai thác mỏ.

Piston có ba phần: đỉnh piston (đỉnh bằng, lồi hoặc lõm) chịu áp khí; đầu piston có rãnh lắp xéc măng làm kín; thân piston dẫn hướng trong xi lanh và có lỗ chốt để nối với tay biên.

c) Motor bánh răng và motor tua bin

Motor bánh răng dùng cặp bánh răng ăn khớp trong buồng kín, chịu được công suất lớn, hay gặp ở máy mỏ. Motor tua bin quay rất nhanh, như tay khoan nha khoa có thể lên vài trăm nghìn vòng/phút, momen nhỏ.

d) Motor khí nén có hộp giảm tốc

Motor cánh gạt quay nhanh nên đa số được ghép sẵn hộp số hành tinh hoặc hộp trục vít để hạ tốc độ và tăng momen. Cách chọn tỉ số truyền giống như với động cơ giảm tốc điện: tốc độ ra bằng tốc độ motor chia tỉ số truyền, momen ra tăng gần tương ứng trừ hao hiệu suất hộp.

3) Nguyên lý hoạt động và đặc tính momen – tốc độ

Ở motor khí nén, momen lớn nhất nằm ở lúc trục đứng yên (momen ghìm), công suất lớn nhất đạt quanh 50% tốc độ không tải, và momen giảm gần tuyến tính khi tốc độ tăng. Vì vậy khi chọn, thợ hay lấy điểm làm việc ở khoảng 40–60% tốc độ không tải, vừa có công suất cao vừa đỡ tốn hơi.

Áp suất ảnh hưởng mạnh: hạ áp từ 6 xuống 5 bar, công suất motor tụt cỡ 20–25%. Nhiều trường hợp người dùng than "máy mài hơi yếu" mà lỗi nằm ở ống dẫn nhỏ, khớp nối nhanh bị bóp, áp tại đầu máy chỉ còn 4–5 bar.

Đổi chiều quay rất đơn giản: đảo cửa cấp và cửa xả bằng van chuyển hướng. Motor cánh gạt loại hai chiều có hai cửa đối xứng; loại một chiều thì cánh gạt và cửa xả bố trí lệch, quay ngược sẽ yếu hẳn.

4) Máy nén khí và motor điện kéo máy nén

Máy nén khí piston: motor điện quay trục khuỷu qua dây curoa, piston hút không khí ở kỳ đi xuống và nén đẩy lên bình chứa ở kỳ đi lên, van một chiều ở nắp máy chặn khí quay ngược. Rơ le áp suất (công tắc áp) cắt motor khi bình đủ áp (thường 8 bar) và đóng lại khi áp tụt xuống khoảng 6 bar. Máy nén khí trục vít thì dùng cặp trục vít ăn khớp, chạy liên tục, êm và bền hơn cho nhu cầu hơi lớn.

a) Điện áp, dòng điện motor máy nén khí

Máy nén piston nhỏ 1–3HP có loại 1 pha 220V; từ khoảng 3kW trở lên đa số dùng motor điện 3 pha 380V. Bảng dưới là số tham khảo để chọn CB, dây điện và máy nén cho motor khí nén.

• Lưu lượng là khí tự do quy về áp suất khí quyển, tùy hãng và tùy áp cài đặt.
• Dòng khởi động trực tiếp gấp 5–7 lần dòng định mức; máy từ 7.5kW thường khởi động sao – tam giác hoặc biến tần.
• Áp cài càng cao thì lưu lượng cùng motor càng giảm.

b) Biến tần cho máy nén khí

Máy nén trục vít dùng biến tần điều khiển tốc độ motor sẽ giữ áp đường ống ổn định và giảm tốc khi xưởng dùng ít hơi, thay vì chạy có tải – không tải liên tục. Ở xưởng nhu cầu hơi dao động nhiều, mức tiết kiệm điện thường gặp khoảng 20–35%. Biến tần chọn theo dòng định mức motor, loại tải nặng (heavy duty) vì máy nén khởi động có tải. Máy piston nhỏ chạy đóng cắt theo rơ le áp thì ít khi lắp biến tần.

5) Chi phí điện để tạo khí nén cho motor khí nén

Công thức gần đúng: Điện năng tiêu thụ (kWh/năm) = công suất motor (kW) x hệ số tải / hiệu suất motor x số giờ chạy. Nhân với giá điện ra tiền điện.

Ví dụ máy nén 22kW (30HP), chạy 10 giờ/ngày, 5 ngày/tuần, 52 tuần = 2.600 giờ/năm. Máy chạy ở áp cao thường kéo khoảng 110% công suất định mức, hiệu suất motor 90%, giá điện tham khảo 2.000 đ/kWh: 22 x 1,1 / 0,9 x 2.600 x 2.000 ≈ 140 triệu đồng/năm. Cùng điều kiện, máy 37kW (50HP) tốn khoảng 235 triệu đồng/năm.

Đổi ra năng lượng ở trục: để motor khí nén cánh gạt cho ra 1kW ở trục cần khoảng 1–1,5 m³/phút khí tự do ở 6 bar, tương đương máy nén trục vít 7–10kW điện. Nghĩa là chạy motor khí nén liên tục tốn điện gấp nhiều lần motor điện cùng công suất. Motor khí nén đáng tiền ở chỗ an toàn chống cháy nổ, nhẹ, chịu kẹt tải, chứ không phải ở chỗ tiết kiệm điện.

6) Cách chọn motor khí nén

• Momen và tốc độ ở trục: xác định momen tải (Nm) và tốc độ cần (vòng/phút), chọn motor có điểm làm việc nằm ở 40–60% tốc độ không tải.
• Áp suất thực tại máy: đo áp tại đầu vào motor lúc đang chạy, không đo ở bình. Thông số catalog thường tính ở 6 bar.
• Lưu lượng khí: cộng tổng lưu lượng các motor, dụng cụ hơi chạy cùng lúc, nhân thêm 20–30% dự phòng rò rỉ, rồi mới chọn máy nén theo bảng ở mục 4.
• Kích cỡ ống: ống, van, khớp nối phải đủ lớn để sụt áp dưới khoảng 0,3–0,5 bar.
• Môi trường: chỗ có hơi dung môi, bụi dễ cháy thì motor khí nén là lựa chọn tự nhiên; nếu vẫn muốn dùng điện thì xem motor phòng nổ ký hiệu YBX3.

7) Ứng dụng của motor khí nén

• Dụng cụ cầm tay xưởng ô tô, xưởng cơ khí: súng bắn ốc hơi, máy mài hơi, máy khoan hơi, máy chà nhám hơi, cờ lê hơi.
• Máy khuấy sơn, khuấy keo, khuấy dung môi: motor khí nén cánh gạt ghép hộp số gắn trên nắp thùng phuy 200 lít, an toàn ở xưởng sơn có hơi dung môi. Với bồn khuấy lớn chạy điện thì tham khảo máy khuấy.
• Tời hơi, palang khí nén: dùng ở giàn khoan, kho xăng dầu, hầm mỏ, nơi cấm tia lửa điện.
• Bơm màng khí nén: hút chuyển sơn, hóa chất, bùn; chạy khô không hỏng.
• Thiết bị y tế, nha khoa: tay khoan tua bin tốc độ rất cao.
• Cửa tự động xe buýt, cửa tàu: dùng xi lanh khí nén đóng mở (thiết bị chấp hành tịnh tiến cùng họ với motor khí nén).
• Máy thông tắc cống, máy rửa xe: dùng khí nén thổi, đẩy hoặc kéo bơm.

8) Ưu điểm và nhược điểm của motor khí nén

a) Ưu điểm

• Chống cháy nổ tự nhiên, không có tia lửa điện, dùng được trong môi trường có gas, dung môi.
• Bị kẹt tải, ghìm đứng không cháy; khởi động – dừng – đảo chiều liên tục không nóng.
• Nhẹ, nhỏ gọn so với motor điện cùng công suất; tốc độ chỉnh vô cấp bằng van.
• Khí xả làm mát chính motor, chạy được ở chỗ nóng ẩm.

b) Nhược điểm

• Tốn năng lượng: cần máy nén khí công suất gấp nhiều lần công suất ở trục.
• Ồn ở cửa xả nếu không có bộ tiêu âm; khí xả có thể lẫn hơi dầu.
• Tốc độ dao động theo tải và theo áp đường ống.
• Phụ thuộc chất lượng khí: nước và bụi trong ống làm mòn cánh gạt, rỉ xi lanh.

9) Câu hỏi thường gặp về motor khí nén

a) Người sắp mua motor khí nén cần hỏi gì, xác minh gì

• Thông số nào trên tem hoặc catalog là quan trọng nhất? Công suất (kW) ở áp bao nhiêu bar, tốc độ không tải và tốc độ ở công suất cực đại, momen khởi động, lượng khí tiêu thụ (l/s hoặc m³/phút), cỡ ren cửa khí vào. Một motor ghi "1kW" mà không ghi áp đo là bao nhiêu thì khó so sánh, vì cùng con motor đó ở 7 bar mạnh hơn ở 5 bar khá nhiều.
• Hỏi người bán điều gì để không mua nhầm? Motor quay một chiều hay hai chiều, có cần tra dầu hay loại không dầu, đã gắn hộp giảm tốc chưa và tỉ số bao nhiêu, kiểu lắp mặt bích hay chân đế, trục ra có then hay không. Hỏi luôn lượng khí tiêu thụ để biết máy nén đang có kéo nổi không.
• Làm sao nhận ra motor không đúng như quảng cáo? Chạy thử ở áp 6 bar đo tại đầu vào, đo tốc độ không tải bằng máy đo vòng quay. Tốc độ thấp hơn catalog trên 15–20%, hoặc phải tăng áp lên 7–8 bar mới đủ lực là dấu hiệu motor yếu hoặc cánh gạt đã mòn (hàng cũ làm lại).
• Chọn công suất máy nén khí cho motor khí nén thế nào? Lấy lưu lượng khí tiêu thụ của motor (ví dụ 1,2 m³/phút), cộng thêm các dụng cụ chạy cùng lúc, nhân 1,2–1,3 cho rò rỉ. Ví dụ tổng 1,5 m³/phút thì cần máy nén trục vít cỡ 11kW (lưu lượng 1,5–1,8 m³/phút ở 7–8 bar).
• Giá motor khí nén khoảng bao nhiêu? Giá trung bình thị trường Việt Nam trải rộng: motor cánh gạt nhỏ cho máy khuấy vài trăm W ở mức vài triệu đồng, motor khí nén công nghiệp có hộp số của hãng châu Âu hay Nhật có thể vài chục triệu đồng trở lên. So giá phải so cùng công suất, cùng áp, cùng loại (cánh gạt, piston) và có hay không có hộp số.

b) Người đã mua: lắp cho đúng, dùng cho tối ưu

• Lắp đường hơi cho motor khí nén thế nào? Trước motor gắn bộ lọc – điều áp – tra dầu (bộ FRL), lọc tách nước đặt thấp hơn ống chính và có van xả đáy. Ống dẫn ngắn nhất có thể, đường kính không nhỏ hơn cỡ ren cửa vào của motor. Cửa xả gắn bộ tiêu âm hoặc ống dẫn khí xả ra ngoài.
• Tra dầu bao nhiêu là đủ? Với motor cần bôi trơn, chỉnh bộ tra dầu cỡ 1–2 giọt cho mỗi 1 m³ khí đi qua, dùng dầu khí nén chuyên dụng độ nhớt thấp. Dầu quá nhiều thì khí xả ra mù dầu, bám bẩn sản phẩm; quá ít thì cánh gạt mòn nhanh. Loại không dầu thì bỏ qua bộ tra dầu.
• Chạy thử lần đầu cần làm gì? Thổi sạch ống trước khi nối motor để mạt sắt, băng tan không chui vào. Chạy không tải ở áp thấp 3–4 bar vài phút, nghe tiếng đều, sau đó mới tăng lên 6 bar và lắp tải.
• Làm sao cho motor khí nén đỡ tốn hơi, đỡ tốn điện máy nén? Sửa ngay các chỗ xì rò (xưởng nhỏ rò 20–30% lượng khí là chuyện thường), hạ áp máy nén xuống mức vừa đủ, dùng van tiết lưu thay vì để motor quay không tải hết tốc độ, tắt van cấp khi nghỉ ca.
• Motor đang chạy bỗng yếu đi thì kiểm tra gì? Đo áp ở đầu vào motor lúc đang chạy, xem lọc có nghẹt, bình lọc có đầy nước, khớp nối nhanh có bị bóp. Nếu áp đủ mà vẫn yếu thì tháo kiểm tra cánh gạt (mòn, kẹt trong rãnh do cặn) và ổ bi.

c) Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Đo áp ở bình máy nén thay vì ở đầu motor. Bình báo 8 bar nhưng tại motor chỉ còn 4,5 bar do ống dài, nhỏ. Triệu chứng: motor yếu khi có tải. Cách sửa: gắn đồng hồ áp ngay trước motor, nâng cỡ ống, bớt khớp nối nhanh, rút ngắn đường ống.
• Không có lọc tách nước. Nước ngưng theo ống vào motor làm rỉ xi lanh, cánh gạt kẹt, sáng ra motor không chạy. Cách sửa: lắp bộ lọc tách nước, xả nước bình máy nén mỗi ngày, cuối ca nhỏ vài giọt dầu vào cửa khí và chạy 5–10 giây để phủ dầu bên trong.
• Chọn máy nén quá nhỏ. Máy nén chạy liên tục không nghỉ, nóng dầu, áp không lên. Cách sửa: tính lại tổng lưu lượng như mục 6, thêm bình chứa hoặc thay máy nén lớn hơn.
• Cho motor quay không tải tốc độ tối đa thời gian dài. Cánh gạt mòn nhanh, tốn hơi vô ích. Cách sửa: dùng van tiết lưu hoặc điều áp giới hạn tốc độ.
• Đấu ngược cửa vào – cửa xả ở motor một chiều. Motor quay ngược, yếu và rung. Cách sửa: kiểm tra mũi tên trên thân, đổi lại ống.

d) Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Khái niệm cần nắm trước là gì? Áp suất (bar, psi, MPa), lưu lượng khí tự do (l/s, m³/phút), công suất và momen, quan hệ P = M x n / 9550 (P kW, M Nm, n vòng/phút), hiệu suất, điểm sương của khí nén. Bên điện thì cần biết công suất, dòng, điện áp, khởi động sao – tam giác.
• Nên học thiết bị nào trước? Học hệ khí nén cơ bản trước: máy nén khí piston, bình chứa, rơ le áp, bộ lọc FRL, van điện từ, xi lanh. Sau đó mới tới motor khí nén cánh gạt, rồi motor piston. Song song nên học motor 3 pha rotor lồng sóc vì đó là motor kéo gần như mọi máy nén khí.
• Thứ tự học hợp lý? Ký hiệu khí nén theo ISO 1219 → đọc sơ đồ mạch khí nén đơn giản → lắp thử mạch xi lanh – van 5/2 → tìm hiểu motor khí nén và đường đặc tính momen – tốc độ → tính toán lưu lượng, chọn máy nén.
• Tự kiểm chứng bằng cách nào? Gắn đồng hồ áp trước một máy mài hơi, đo tốc độ không tải ở 4, 5, 6 bar, ghi lại và vẽ đồ thị. Đo dòng motor máy nén bằng ampe kìm lúc nén có tải và lúc chạy không tải để thấy tiền điện khác nhau thế nào.
• Có tài liệu nền nào trên web nên đọc kèm? Có thể đọc bài phân loại động cơ điện, cấu tạo, nguyên lý để so sánh motor điện với motor khí nén, và bài về động cơ điện 1 pha nếu máy nén ở nhà dùng điện 220V.

Đọc thêm: cách đấu điện motor 1 pha, đấu tụ, đảo chiều tùy ý; động cơ Parma; giá motor 3 pha Hitachi, Toshiba, Mitsubishi, ABB, Siemens.