Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực

1. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực CHƢƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 3.1. KHÁI NIỆM 3.1.1. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển bằng thủy lực được mô tả qua sơ đồ hình 3.1, gồm các cụm và phần tử chính, có chức năng sau: a. Cơ cấu tạo năng lượng: bơm dầu, bộ lọc ( ) b. Phần tử nhận tín hiệu: các loại nút ấn ( ) c. Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa ( ) d. Phần tử điều khiển: van đảo chiều ( ) e. Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ dầu. Hình 3.1. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực được thể hiện ở sơ đồ hình 3.2. Hình 3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.2. VAN ÁP SUẤT 3.2.1. Nhiệm vụ Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm trị số áp suất trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 3.2.2. Phân loại 47
2. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Van áp suất gồm có các loại sau: - Van tràn và van an toàn - Van giảm áp - Van cản -Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực. 3.2.2.1. Van tràn và an toàn Van tràn và van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực vượt quá trị số quy định. Van tràn làm việc thường xuyên, còn van an toàn làm việc khi quá tải. Ký hiệu của van tràn và van an toàn: Có nhiều loại: - Kiểu van bi (trụ, cầu) - Kiểu con trượt (pittông) - Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp) a. Kiểu van bi Hình 3.3. Kết cấu kiểu van bi Giải thích: khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên vượt quá mức điều chỉnh, nó sẽ thắng lực lò xo, van mở cửa và đưa dầu về bể. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều chỉnh ở phía trên. Ta có: p1.A = C.(x + x0) (bỏ qua ma sát, lực quán tính, p2 0) Trong đó: x0 - biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu; C - độ cứng lò xo; F0 = C.x0 - lực căng ban đầu; x - biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn); p1 - áp suất làm việc của hệ thống; A - diện tích tác động của bi. Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nhưng có nhược điểm: không dùng được ở áp suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong hệ thống giảm đột ngột. b. Kiểu van con trượt 48
3. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3. Nếu như lực do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng lượng G của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4 dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài. Ta có: p1.A = Flx (bỏ qua ma sát và trọng lượng của pittông) Flx = C.x0 * Khi p1 tăng F p1 .A F lx pittông đi lên với dịch chuyển x. * p10 .A C.(x x ) Nghĩa là: p1  pittông đi lên một đoạn x dầu ra cửa 2 nhiều p1  để ổn định. Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc vào F của lò xo. lx Hình 3.4. Kết cấu kiểu van con trượt Loại van này có độ giảm chấn cao hơn loai van bi, nên nó làm việc êm hơn. Nhược điểm của nó là trong trường hợp lưu lượng lớn với áp suất cao, lò xo phải có kích thước lớn, do đó làm tăng kích thước chung của van. c. Van điều chỉnh hai cấp áp suất Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh được áp suất cần thiết. Lò xo 2 có tác dụng lên bi trụ (con trượt), là loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ. Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác. Lỗ tiết lưu có đường kính từ 0,81 mm. Hình 3.5. Kết cấu của van điều chỉnh hai cấp áp suất 49
4. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Dầu vào van có áp suất p1, phía dưới và phía trên của con trượt đều có áp suất dầu. Khi áp suất dầu chưa thắng được lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía dưới và áp suất p2 ở phía trên con trượt bằng nhau, do đó con trượt đứng yên. Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua con trượt, lên van bi chảy về bể. Khi dầu chảy, do sức cản của lỗ tiết lưu, nên p1 > p2, tức là một hiệu áp p = p1 - p2 được hình thành giữa phía dưới và phía trên con trượt. (Lúc này cửa 3 vẫn đóng) 0 0 A2 .p 1 C 1 .x 2 và C2 .x 3 p 1 .A 3 Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2 lúc này cả 2 van đều hoạt động. Loại van này làm việc rất êm, không có chấn động. Áp suất có thể điều chỉnh trong phạm vi rất rộng: từ 563bar hoặc có thể cao hơn. 3.2.2.2. Van giảm áp Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp năng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau. Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết. Ký hiệu: Hình 3.6. Kết cấu của van giảm áp Ví dụ: Mạch thủy lực có lắp van giảm áp (hình 3.7). Trong hệ thống này, xilanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh 2. Áp suất ra p2 có thể điều chỉnh được nhờ van giảm áp. Ta có lực cân bằng của van giảm áp: p2 .A F lx (F lx C.x) C.x p A const, x thay đổi p2 thay đổi. 2 A 50
5. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.7. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp 3.2.2.3. Van cản Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống hệ thống luôn có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập. Ký hiệu: Hình 3.8. Mạch thủy lực có lắp van cản Trên hình 3.8, van cản lắp vào cửa ra của xilanh có áp suất p2. Nếu lực lò xo của van là Flx và tiết diện của pittông trong van là A, thì lực cân bằng tĩnh là: F p .A F 0 p lx (3.1) 2 lx 2 A Như vậy ta thấy rằng áp suất ở cửa ra (tức cản ở cửa ra) có thể điều chỉnh được tùy thuộc vào sự điều chỉnh lực lò xo Flx. 3.2.2.4. Rơle áp suất (áp lực) 51
6. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Rơle áp suất thường dùng trong hệ thống thủy lực. Nó được dùng như một cơ cấu phòng quá tải, vì khi áp suất trong hệ thống vượt quá giới hạn nhất định, rơle áp suất sẽ ngắt dòng điện Bơm dầu, các van hay các bộ phận khác ngưng hoạt động. 3.3. VAN ĐẢO CHIỀU 3.3.1. Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành. 3.3.2. Các khái niệm - Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều thường 2, 3 và 4, 5. Trong những trường hợp đặc biệt số cửa có thể nhiều hơn. - Số vị trí: là số định vị con trượt của van. Thông thường van đảo chiều có 2 hoặc 3 vị trí. Trong những trường hợp đặc biệt số vị trí có thể nhiều hơn. 3.3.3. Nguyên lý làm việc a. Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2) Hình 3.9. Van đảo chiều 2/2 b. Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2) Hình 3.10. Van đảo chiều 3/2 c. Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2) 52
7. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.11. Van đảo chiều 4/2 Ký hiệu: P- cửa nối bơm; T- cửa nối ống xả về thùng dầu; A, B- cửa nối với cơ cấu điều khiển hay cơ cấu chấp hành; L- cửa nối ống dầu thừa về thùng. 3.3.4. Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều được biểu diễn hai phía, bên trái và bên phải của ký hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc của nòng van đảo chiều. a. Loại tín hiệu tác động bằng tay Ký hiệu nút ấn Nút bấm Tay gạt Bàn đạp tổng quát Hình 3.12. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng tay b. Loại tín hiệu tác động bằng cơ Đầu dò Cữ chặn bằng Cữ chặn bằng Lò xo Nút ấn có rãnh con lăn, tác con lăn, tác động định vị động hai chiều một chiều Hình 3.13. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng cơ 3.3.5. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, các mép của nó sẽ đóng hoặc mở các cửa trên thân van nối với kênh dẫn dầu. 53
8. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Van đảo chiều có mép điều khiển dương (hình 3.14a), được sử dụng trong những kết cấu đảm bảo sự rò dầu rất nhỏ, khi nòng van ở vị trí trung gian hoặc ở vị trí làm việc nào đó, đồng thời độ cứng vững của kết cấu (độ nhạy đối với phụ tải) cao. Van đảo chiều có mép điều khiển âm (hình 3.14b), đối với loại van này có mất mát chất lỏng chảy qua khe thông về thùng chứa, khi nòng van ở vị trí trung gian. Loại van này được sử dụng khi không có yêu cầu cao về sự rò chất lỏng, cũng như độ cứng vững của hệ. Van đảo chiều có mép điều khiển bằng không (hình 3.14c), được sử dụng phần lớn trong các hệ thống điều khiển thủy lực có độ chính xác cao (ví dụ như ở van thủy lực tuyến tính hay cơ cấu servo. Công nghệ chế tạo loại van này tương đối khó khăn. Hình 3.14. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều a. Mép điều khiển dương; b. Mép điều khiển âm; c. Mép điều khiển bằng không. 3.4. VAN ĐIỆN THỦY LỰC 3.4.1. Phân loại Có hai loại: - Van solenoid - Van tỷ lệ và van servo 3.4.2. Công dụng a. Van solenoid Dùng để đóng mở (như van phân phối thông thường), điều khiển bằng nam châm điện. Được dùng trong các mạch điều khiển logic. b. Van tỷ lệ và van servo Là phối hợp giữa hai loại van phân phối và van tiết lưu (gọi là van đóng, mở nối tiếp), có thể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van. Được dùng trong các mạch điều khiển tự động. 3.4.3. Van solenoid Cấu tạo của van solenoid gồm các bộ phận chính là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.15) gồm có thân van, con trượt và hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp (hình 3.16) gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp và van thứ cấp 2 điều khiển con trượt bằng dầu ép, nhờ tác động của van sơ cấp. Con trượt của van sẽ hoạt động ở hai hoặc ba vị trí tùy theo tác động của nam châm. Có thể gọi van solenoid là loại van điều khiển có cấp. 54
9. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.15. Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp 1, 2. Cuộn dây của nam châm điện; 3, 6. Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ; 4, 5. Lò xo. Hình 3.16a. Kết cấu của van solenoid điều khiển gián tiếp 1. Van sơ cấp; 2. Van thứ cấp. 55
10. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.16b. Ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp 3.5.4. Van tỷ lệ Cấu tạo của van tỷ lệ có gồm ba bộ phận chính (hình 3.17) là : thân van, con trượt, nam châm điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp. Hình 3.17. Kết cấu và ký hiệu của van tỷ lệ Hình 3.17 là kết cấu của van tỷ lệ, van có hai nam châm 1, 5 bố trí đối xứng, các lò xo 10 và 12 phục hồi vị trí cân bằng của con trượt 11. 3.4.5. Van servo a. Nguyên lý làm việc Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình 3.18 gồm các ở bộ phận sau: - Nam châm vĩnh cửu; - Phần ứng và hai cuộn dây; - Cánh chặn và càng đàn hồi; - Ống đàn hồi; - Miệng phun dầu. 56
11. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu cứng vững. Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý của bộ phận này nối trực tiếp với con trượt. điều khiển con trượt của van servo Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay. Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại). Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt được di chuyển. Như vậy: - Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau). - Khi dòng i1 i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn. Giả sử phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại. Áp suất dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con trượt di chuyển về bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua van). Quá trình trên thể hiện ở hình 3.19b. Đồng thời khi con trượt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo. Lúc này khe hở ở miệng phun trái hẹp lại và khe hở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý của hai miệng phun bằng nhau và áp hoạt động của van servo suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị a. Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc; trí cân bằng. Quá trình đó thể hiện ở 57
12. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực hình 3.19c. Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau. Lượng di chuyển của con trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây. - Tương tự như trên nếu phần ứng quay theo chiều ngược lại thì con trượt sẽ di chuyển theo chiều ngược lại. Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo b. Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển; c. Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển. b. Kết cấu của van servo Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 3.18 và hình 3.19, trong van còn bố trí thêm bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của van. Để con trượt ở vị trí trung gian khi tín hiệu vào bằng 0, tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, người ta đưa vào kết cấu vít điều chỉnh. Các hình 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 là kết cấu của một số loại van servo được sử dụng hiện nay. 58
13. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực b Hình 3.20. Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo a, b. Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo; c. Ký hiệu của van servo. Hình 3.21. Kết cấu của van servo một cấp điều khiển 1. Không gian trống; 2. Ống phun; 3. Lõi sắt của nam châm; 4. Ống đàn hồi; 5. Càng điều khiển điện thủy lực; 6. Vít hiệu chỉnh; 7. Thân của ống phun; 8. Thân của nam châm; 9. Không gian quay của lõi sắt nam châm; 10. Cuộn dây của nam châm; 11. Con trượt của van chính; 12. Buồng dầu của van chính. 59
14. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.22. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển 1. Cụm nam châm; 2. ống phun; 3. Càng đàn hồi của bộ phận điều khiển điện thủy lực; 4. Xylanh của van chính; 5. Con trượt của van chính; 6. Càng điều khiển điện- thủy lực; 7. Thân của ống phun. 1. Cụm nam châm; 2. Ống phun; 3. Xylanh của van chính; 4. Cuộn dây của cảm biến; 5. Lõi sắt từ của cảm biến; 6. Con trượt của van chính; 7. Càng điều khiển điện-thủy lực; 8. Ống phun; 9,10. Buồng dầu của van chính. Hình 3.23. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến 60
15. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.24. Kết cấu của van servo 3 cấp điều khiển có cảm biến 1. Vít hiệu chỉnh; 2. Ống phun; 3. Thân van cấp 2; 4. Thân van cấp 3; 5. Cuộn đây của cảm biến; 6. Lõi sắt từ của cảm biến; 7. Con trượt của van chính; 8. Càng điều khiển điện-thủy lực; 9. Thân của ống phun; 10,14. Buồng dầu của van cấp 2; 11. Con trượt của van cấp 2; 12. Lò xo của van cấp 2; 13. Xylanh của van cấp 3; 15,16. Buồng dầu của van cấp 3. 3.5. CƠ CẤU CHỈNH LƢU LƢỢNG Cơ cấu chỉnh lưu lượng dùng để xác định lượng chất lỏng chảy qua nó trong đơn vị thời gian, và như thế điều chỉnh được vân tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực làm việc với bơm dầu có một lưu lượng cố định. 3.5.1. Van tiết lƣu Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dầu, và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực. Van tiết lưu có thể đặt ở đường dầu vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành. Van tiết lưu có hai loại: Loại van tiết lƣu Ký hiệu - Tiết lưu cố định - Tiết lưu thay đổi được lưu lượng 61
16. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Ví dụ: hình 3.25 là sơ đồ của van tiết lưu được lắp ở đường ra của hệ thống thủy lực. Cách lắp này được dùng phổ biến nhất, vì van tiết lưu thay thế cả chức năng của van cản, tạo nên một áp suất nhất định trên đường ra của xilanh và do đó làm cho chuyển động của nó được êm. Hình 3.25. Sơ đồ thủy lực có lắp van tiết lưu ở đường dầu ra Ta có các phương trình: Q2 = A2.v : lưu lượng qua van tiết lưu p = p2 - p3 : hiệu áp qua van tiết lưu Lưu lượng dầu Q2 qua khe hở được tính theo công thức Torricelli như sau: 2.g Q  .A. . p[m/s]3 (3.3) 2x 2.g Hoặc A .v  .A .c. p (c const) (3.4) 2x  .A .c. p v x A2 Trong đó: - hệ số lưu lượng; 2 .d 2 Ax- diện tích mặt cắt của khe hở: A [m ]; 1 4 2 p (p23 p ) - áp suất trước và sau khe hở [N/m ]; - khối lượng riêng của dầu [kg/m3]. Khi Ax thay đổi p thay đổi và v thay đổi. Dựa vào phương thức điều chỉnh lưu lượng, van tiết lưu có thể phân thành hai loại chính: van tiết lưu điều chỉnh dọc trục và van tiết lưu điều chỉnh quanh trục. Hình 3.26. Độ chênh lệch áp suất và lưu lượng dòng chảy qua khe hở a. Van tiết lưu điều chỉnh dọc trục 62
17. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.27. Tiết lưu điều chỉnh dọc trục b. Van tiết lưu điều chỉnh quanh trục Hình 3.28. Tiết lưu điều chỉnh quanh trục 3.5.2. Bộ ổn tốc Bộ ổn tốc là cơ cấu đảm bảo hiệu áp không đổi khi giảm áp ( p = const), và do đó đảm bảo một lưu lượng không đổi chảy qua van, tức là làm cho vận tốc của cơ cấu chấp hành có giá trị gần như không đổi. Như vậy để ổn định vận tốc ta sử dụng bộ ổn tốc. Bộ ổn tốc là một van ghép gồm có: một van giảm áp và một van tiết lưu. Bộ ổn tốc có thể lắp trên đường vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành như ở van tiết lưu, nhưng phổ biến nhất là lắp ở đường ra của cơ cấu chấp hành. Ký hiệu: Điều kiện để bộ ổn tốc có thể làm việc là: p1 p 2 p 3 p 4 Ta có phương trình cân bằng tĩnh: Flx A.p3 p 4 .A F lx p p 3 p 4 (3.5) A F Q  .A .c. p k. lx (3.6) 2x A Hình 3.29. Kết cấu bộ ổn tốc Q2 không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào Flx v ổn định. 63
18. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.30. Sơ đồ thủy lực có lắp bộ ổn tốc 3.6. VAN CHẶN Van chặn gồm các loại van sau: - Van một chiều. - Van một chiều điều điều khiển được hướng chặn. - Van tác động khoá lẫn. 3.6.1. Van một chiều Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một hướng, và ở hướng kia dầu bị ngăn lại. Trong hệ thống thủy lực, thường đặt ở nhiều vị trí khác nhau tùy thuộc vào những mục đích khác nhau. Ký hiệu: Van một chiều gồm có 2 kiểu: van bi và van một chiều kiểu con trượt. Ứng dụng của van một chiều: - Đặt ở đường ra của bơm (để chặn dầu chảy về bể). - Đặt ở cửa hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm). - Khi sử dụng hai bơm dầu dùng chung cho một hệ thống. Hình 3.31. Kết cấu van bi một chiều 64
19. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Ví dụ: Sơ đồ thủy lực sử dụng hai bơm dầu nhằm giảm tiêu hao công suất. Hình 3.32. Sơ đồ mạch thủy lực sử dụng hai bơm dầu Khi thực hiện vận tốc công tác v1, bơm 1 (Q1) hoạt động: Q1 = A1.v1. Khi thực hiện vận tốc chạy không v2 (pittông lùi về) thì cả hai bơm cùng cung cấp dầu (Q1, Q2): Q1 + Q2 = A2.v2 (Q2 >> Q1 ). Giải thích nguyên lý: +/ Khi có tải FL và thực hiện v1 p1 > p2, van một chiều bị chặn Q1 v1 và Q2 về bể dầu. A1 (A.p1 > Flx pittông đi lên cửa P và T thông nhau Q2 về bể dầu). +/ Khi chạy nhanh với v2 (không tải): p1 F lx p 1 .A pittông đi xuống mở cửa P, đóng cửa T, lúc này p2 > p1 van một chiều mở cung cấp Q2 và Q1 cho xilanh để thực hiện v2. QQ12 v2 A2 3.6.2. Van một chiều điều khiển đƣợc hƣớng chặn Hình 3.33. Van một chiều điều khiển được hướng chặn a. Chiều A qua B, tác dụng như van một chiều; 65
20. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực b. Chiều B qua A có dòng chảy, khi có tác dụng tín hiệu ngoài X; c. Ký hiệu. Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều. Nhưng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoài tác động vào cửa X. 3.6.3. Van tác động khoá lẫn Kết cấu của van tác động khoá lẫn, thực ra là lắp hai van một chiều điều khiển được hướng chặn. Khi dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 theo nguyên lý của van một chiều. Nhưng khi dầu chảy từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1 hoặc khi dầu chảy từ B1 về A1 thì phải có tín hiệu điều khiển A2. a. Dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 (như van một chiều); b. Từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1; c. Ký hiệu. Hình 3.34. Van tác động khóa lẫn 3.7. ỐNG DẪN, ỐNG NỐI Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van) với các cơ cấu chấp hành, với hệ thống biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu), người ta dùng các ống dẫn, ống nối hoặc các tấm nối. 3.7.1. Ống dẫn a. Yêu cầu Ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu ống bằng đồng hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 1350C). Ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất. Để giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến dạng của tiết diện và sự đổi hướng chuyển động của dầu. b. Vận tốc dầu chảy trong ống - Ở ống hút: v = 0,51,5 m/s - Ở ống nén: Các đường ống hút /// Các đường ống nén / Các đường ống xả // 66 Hình 3.35. Sơ đồ mạch thủy lực thể hiện các đường ống
21. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực p 100bar thì v = 67 m/s - Ở ống xả: v = 0,51,5 m/s c. Chọn kích thước đường kính ống Ta có phương trình lưu lượng chảy qua ống dẫn: Q = A.v (3.7) Trong đó: .d 2 Tiết diện: A (3.8) 4 .d 2 Q .v (3.9) 4 Trong đó: d [mm]; Q [lít/phút]; v [m/s]. Q v .102 (3.10) 6.d2 . 4 2.Q Kích thước đường kính ống dẫn là: d 10. [mm] (3.11) 3. .v 3.7.2. Các loại ống nối a. Yêu cầu Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu tương đối cao về độ bền và độ kín. Tùy theo điều kiện sử dụng ống nối có thể không tháo được và tháo được. b. Các loại ống nối Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối ống dẫn với các phần tử thủy lực, ta dùng các loại ống nối được thể hiển như ở hình 3.36. Hình 3.36. Các loại ống nối a. Ống nối vặn ren; b. Ống nối siết chặt bằng đai ốc. 67
22. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.7.3. Vòng chắn a. Nhiệm vụ Chắn dầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc bình thường của các phần tử thủy lực. Chắn dầu không tốt, sẽ bị rò dầu ở các đầu nối, bị hao phí dầu, không đảm bảo áp suất cao dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định. b. Phân loại Để ngăn chặn sự rò dầu, người ta thường dùng các loại vòng chắn, vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ của dầu. Dựa vào bề mặt cần chắn khít, ta phân thành hai loại: - Loại chắn khít phần tử cố định. - Loại chắn khít phần tử chuyển động. c. Loại chắn khít phần tử cố định Chắn khít những phần tử cố định tương đối đơn giản, dùng các vòng chắn bằng chất dẻo hoặc bằng kim loại mềm (đồng, nhôm). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, ta thường sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (cao su nền vải, vòng kim loại, cao su lưu hóa cùng lõi kim loại). d. Loại chắn khít các phần tử chuyển động tương đối với nhau Loại này được dùng rộng rãi nhất, để chắn khít những phần tử chuyển động. Vật liệu chế tạo là cao su chịu dầu, để chắn dầu giữa 2 bề mặt có chuyển động tương đối (giữa pittông và xilanh). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, tương tự như loại chắn khít những phần tử cố định, thường ta sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (vòng kim loại). Để chắn khít những chi tiết có chuyển động thẳng (cần pittông, cần đẩy điều khiển con trượt điều khiển với nam châm điện, ), thường dùng vòng chắn có tiết diện chữ V, với vật liệu bằng da hoặc bằng cao su. Trong trường hợp áp suất làm việc của dầu lớn thì bề dày cũng như số vòng chắn cần thiết càng lớn. 3.8. THỰC HÀNH TÌM HIỂU CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 3.8.1. Van an toàn Ví dụ 1 : Cho sơ đồ mạch thủy lực (hình 3.37) : Yêu cầu : - Xác định nguyên lý làm việc của van an toàn. - Gọi tên và nêu nhiệm vụ của các thiết bị có trong sơ đồ mạch, số lượng từng loại thiết bị. - Điều chỉnh van an toàn ở áp suất làm việc cho trước STT TÊN GỌI NHIỆM VỤ SỐ LƯỢNG 1 Xylanh kép Thực hiện chuyển động thẳng 1 2 Van đảo chiều 4/3 Điều khiển cơ cấu truyền lực cố định 1 tại một vị trí xác dịnh lúc dừng lại, vị trí trung gian của P và T thông nhau. 3 Tay gạt Tín hiệu tác động bằng tay 1 68
23. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực 4 Áp kế Đo áp suất lưu chất 1 5 Động cơ điện Dẫn đông cho bơm dầu 1 6 Bơm dầu Biến cơ năng nhận được từ động cơ 1 điện thành năng lượng của dầu (dòng chất lỏng) 7 Bể dầu Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc 1 theo chu trình kín (cấp và nhận dầu chảy về) 8 Van tràn (van an toàn) Hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng 1 trong hề thống thủy lực vượt quá quy định. Hình 3.37 3.8.2. Van tiết lƣu Ví dụ 2 : Cho mạch thủy lực như hình 3.38. Đọc tên các thiết bị trong hình từ 1 đến 7 và cho biết công dụng của van số 6. 1. Xylanh thủy lực tác động kép 2 2. Van tiết lưu một chiều. 3. Van một chiều điều khiển được hướng chặn – van điều khiển xa. 4. Van đảo chiều thủy lực 3/2 tác động một phía bằng nam châm điện, trở về bằng lò xo. 69
24. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực 5. Van đảo chiều thủy lực 4/2 tác động một phía bằng nam châm điện, trở về bằng lò xo. 6. Van tràn dùng để điều chỉnh áp suất dòng lưu chất đi vào van đảo chiều 3/2 (van 4) và van đảo chiều 4/2 (van 5). 7. Bộ nguồn thủy lực. Hình 3.38 3.8.3. Van đảo chiều Ví dụ 3 : Cho sơ đồ mạch thủy lực của cơ cấu cấp phôi tự động (hình 3.39). Yêu cầu : - Hãy nêu tên và nhiệm vụ của các chi tiết trong mạch thủy lực này. - Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch thủy lực này. Ký Tên gọi Nhiệm vụ hiệu 0.1 Bơm Cung cấp dầu với áp suất và lưu lượng cho hệ thống làm việc 0.2 Van tràn Giữ cho áp suất dầu trong hệ thống không vượt quá một giá trị quy định 0.3 Đồng hồ đo Báo áp suất dầu trong đường đẩy của bơm (trong hệ thống) 1.1 Van đảo chiều 4/2 Đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành (xylanh điều khiển bằng tay kép) gạt 1.2 Van an toàn Điều chỉnh áp suất 1.3 Van một chiều Giữ cho pittong cố định 1.0 Xylanh kép Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động tịnh tiến 70
25. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.39 Ở vị trí như hình 3.39, dầu do bơm cung cấp sẽ theo cửa P, B ở van 1.1 đi qua van 1 chiều 1.3, giữ cho pittong cố định. Van 0.2 sẽ xả bớt dầu về thùng chứa nếu áp suất trong hệ thống vượt qua lực lò xo của van. - Khi gạt cần gạt, dầu từ bơm sẽ theo cửa P, A ở van 1.1 đi vào khoang trái của 1.0. Khoang phải của xylanh 1.0 qua van 1.2, cửa B, T thông với thùng chứa. Pittong dịch chuyển sang phải. - Để chuyển động của xilanh, tải trọng đi xuống được êm, ta lắp thêm một van cản 1.2 vào đường xả dầu về. - Khi nhả cần gạt, nhờ lò xo van 1.1 đảo chiều; dầu từ bơm sẽ theo cửa P, B, đến van 1 chiều 1.3 tới khoang phải của xylanh 1.0. Khoang trái của 1.0 nối cửa A, T về thùng chứa. Pittong lại dịch chuyển từ phải sang trái. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày hệ thống điều khiển bằng thủy lực. Vẽ sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực 2. Vẽ hình, ký hiệu và nhiệm vụ của van áp suất. 3. Vẽ hình, ký hiệu và nhiệm vụ của van đảo chiều. 4. Vẽ hình, ký hiệu và nhiệm vụ của van điện thủy lực. 5. Cơ cấu chỉnh lưu lượng gồm có những thiết bị nào? Nhiệm vụ của chúng là gì? 6. Van chặn làm nhiệm vụ gì? Kể tên các loại van chặn và ký hiệu. 7. Ống dẫn, ống nối, vòng chắn làm nhiệm vụ gì trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực? Các thiết bị này cần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thế nào? 8. Đọc sơ đồ các mạch thủy lực. Cho sơ đồ các mạch thủy lực (hình 3.40, 3.41) : 71
26. Chương 3: Các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hình 3.40 Hình 3.41 Yêu cầu : - Khảo sát đặc tính hoạt động của van tiết lưu một chiều. - Gọi tên và nêu nhiệm vụ của các thiết bị có trong sơ đồ mạch, số lượng từng loại thiết bị. - Điều chỉnh van an toàn ở áp suất làm việc cho trước là 20 bar (dùng phần mềm Automation Studio để mô phỏng). 9. Cho sơ đồ mạch thủy lực (hình 3.42) : Yêu cầu : - Khảo sát đặc tính hoạt động của van đảo chiều. - Gọi tên và nêu nhiệm vụ của các thiết bị có trong sơ đồ mạch, số lượng từng loại thiết bị. - Hãy trình bày nguyên lý hoạt động của mạch thủy lực này. (dùng phần mềm Automation Studio để mô phỏng). Hình 3.42 72