Giáo trình Thủy lực khí nén - Chương 4: Điều chỉnh và ổn định vận tốc

Nội dung text: Giáo trình Thủy lực khí nén - Chương 4: Điều chỉnh và ổn định vận tốc

1. Ch−ơng 4: Điều chỉnh và ổn định vận tốc Điều chỉnh vận tốc chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực bằng cách thay đổi l−u l−ợng dầu chảy qua nó với hai ph−ơng pháp sau: +/ Thay đổi sức cản trên đ−ờng dẫn dầu bằng van tiết l−u. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng tiết l−u. +/ Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh l−u l−ợng của bơm cung cấp cho hệ thống thủy lực. Ph−ơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng thể tích. Lựa chọn ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh− công suất truyền động, áp suất cần thiết, đặc điểm thay đổi tải trọng, kiểu và đặc tính của bơm dầu, Để giảm nhiệt độ của dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống dầu ép, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống dầu ép l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. Do đó, nếu nh− không tính đến tổn thất thể tích và cơ khí thì toàn bộ năng l−ợng do bơm dầu tạo nên đều biến thành công có ích. 4.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u Do kết cấu đơn giản nên loại điều chỉnh này đ−ợc dùng nhiều nhất trong các hệ thống thủy lực của máy công cụ để điều chỉnh vận tốc của chuyển động thẳng cũng nh− chuyển động quay. Ta có: Q = à.A x .c. ∆p Khi Ax thay đổi ⇒ thay đổi ∆p ⇒ thay đổi Q ⇒ v thay đổi. ở loại điều chỉnh này bơm dầu có l−u l−ợng không đổi, và với việc thay đổi tiết diện chảy của van tiết l−u, làm thay đổi hiệu áp của dầu, do đó thay đổi l−u l−ợng dẫn đến cơ cấu chấp hành để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−ợng dầu thừa không thực hiện công có ích nào cả và nó đ−ợc đ−a về bể dầu. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết l−u trong hệ thống, ta có hai loại điều chỉnh bằng tiết l−u sau: +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. +/ Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. 4.1.1. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào Hình 4.1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng vào. Van tiết l−u (0.4) đặt ở đ−ờng vào của xilanh (1.0). Đ−ờng ra của xilanh đ−ợc dẫn về bể dầu qua van cản (0.5). Nhờ van tiết l−u (0.4), ta có thể điều chỉnh hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u, tức là điều chỉnh đ−ợc l−u l−ợng chảy qua van tiết l−u vào xilanh (bằng cách thay đổi tiết diện chảy Ax), do đó làm thay đổi vận tốc của pittông. L−ợng dầu thừa (QT) chảy qua van tràn (0.2) về bể dầu. Van cản (0.5) dùng để tạo nên một áp nhất định (khoảng 3ữ8bar) trong buồng bên 68
2. phải của xilanh (1.0), đảm bảo pittông chuyển động êm, ngoài ra van cản (0.5) còn làm giảm chuyển động giật mạnh của cơ cấu chấp hành khi tải trọng thay đổi ngột. Trong đó: p0 là áp suất do bơm dầu tạo nên, đ−ợc điều chỉnh bằng van tràn (0.2). Ph−ơng trình l−u l−ợng: Q1 qua van tiết l−u cũng là Q1 qua xilanh (bỏ qua rò dầu) Q1 = A1.v = à.A x .c. ∆p (4.1) Hiệu áp giữa hai đầu van tiết l−u: ∆p = p0 - p1 (4.2) Khi Ax thay đổi ⇒ ∆p thay đổi ⇒ Q1 thay đổi ⇒ v thay đổi Nếu nh− tải trọng tác dụng lên pittông là FL và lực ma sát giữa pittông và xilanh là Fms, thì ph−ơng trình cân bằng lực của pittông là: A 2 FL + Fms p1.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 ⇒ p1 = p 2 . + (4.3) A1 A1 Ta thấy: khi FL thay đổi ⇒ p1 thay đổi ⇒ ∆p thay đổi ⇒ Q1 thay đổi ⇒ v không ổn định. A1 1.0 A2 v FL p1 p2 1.1 A B Q1 P T Ax 0.4 0.3 Q2 QT p 0.2 0 Q0 0.5 0.1 Hình 4.1. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng vào 4.1.2. Điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 1.0 A2 v A1 FL p1 p2 1.1 A B P T 0.3Q1 Q 2 QT p0 0.2 Q0 Ax 0.1 0.4 p ≈0 3 Hình 4.2. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết l−u ở đ−ờng ra 69
3. Hình 4.2 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u ở đ−ờng ra. Van tiết l−u đảm nhiệm luôn chức năng của van cản là tạo nên một áp suất nhất định ở đ−ờng ra của xilanh. Trong tr−ờng hợp này, áp suất ở buồng trái xilanh bằng áp suất của bơm, tức là p1=p0. Q 2 = v.A 2 = à.A x .c p 2 (4.4) Vì cửa van của tiết l−u nối liền với bể dầu, nên hiệu áp của van tiết l−u: ∆p = p2 - p3 = p2 Khi Ax thay đổi ⇒ p2 thay đổi ⇒ Q2 thay đổi ⇒ v thay đổi. Ph−ơng trình cân bằng tĩnh là: p0.A1 - p2.A2 - FL - Fms = 0 (4.5) A1 FL + Fms ⇒ ∆p = p2 = p0 . − (4.6) A 2 A 2 Ta cũng thấy: FL thay đổi ⇒ p2 thay đổi ⇒ Q2 thay đổi ⇒ v không ổn định. Nhận xét: Cả hai điều chỉnh bằng tiết l−u có −u điểm chính là kết cấu đơn giản, nh−ng cả hai cũng có nh−ợc điểm là không đảm bảo vận tốc của cơ cấu chấp hành ở một giá trị nhất định, khi tải trọng thay đổi. Th−ờng ng−ời ta dùng điều chỉnh bằng tiết l−u cho những hệ thống thủy lực làm việc với tải trọng thay đổi nhỏ, hoặc trong hệ thống không yêu cầu cao về ổn định vận tốc. Nh−ợc điểm khác của hệ thống điều chỉnh bằng tiết l−u là một phần dầu thừa qua van tràn biến thành nhiệt, nhiệt l−ợng ấy làm giảm độ nhớt của dầu, có khả năng làm tăng l−ợng dầu rò, ảnh h−ởng đến sự ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành, dẫn đến hiệu suất giảm. Vì những lý do đó, điều chỉnh bằng tiết l−u th−ờng dùng trong những hệ thống thủy lực có công suất nhỏ, th−ờng không quá 3ữ3,5 kw. Hiệu suất của hệ thống điều chỉnh này khoảng 0,65ữ0,67. 4.2. Điều chỉnh bằng thể tích Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hệu suất của hệ thống thủy lực, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đ−ợc thực hiện bằng cách chỉ đ−a vào hệ thống thủy lực l−u l−ợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. L−u l−ợng dầu có thể thay đổi với việc dùng bơm dầu pittông hoặc cánh gạt điều chỉnh l−u l−ợng. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng thể tích là khi tải trọng không đổi, công suất của cơ cấu chấp hành tỷ lệ với l−u l−ợng của bơm. Vì thế, loại điều chỉnh này đ−ợc dùng rộng rãi trong các máy cần thiết một công suất lớn khi khởi động, tức là cần thiết lực kéo hoặc mômen xoắn lớn. Ngoài ra nó cũng đ−ợc dùng rộng rãi trong 70
4. những hệ thống thực hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay khi vận tốc giảm, công suất cần thiết cũng giảm. Tóm lại: −u điểm của ph−ơng pháp điều chỉnh bằng thể tích là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, dầu ít bị làm nóng, nh−ng bơm dầu điều chỉnh l−u l−ợng có kết cấu phức tạp, chế tạo đắt hơn là bơm dầu có l−u l−ợng không đổi. v A1 FL Q 1 Q = Q b 1 e Hình 4.3. Sơ đồ thủy lực điều chỉnh bằng thể tích Ta có: Q1= Qb = qb.n (l/p) (Q1= v.A1) Muốn thay đổi Qb= Q1⇒ ta thay đổi qb ⇒ v thay đổi Trên hình 4.3 ta thấy: Thay đổi độ lệch tâm e ⇒ qb sẽ thay đổi ⇒ Qb= Q1 thay đổi ⇒ v thay đổi. Nhận xét: Toàn bộ l−u l−ợng của bơm đều cung cấp cho xilanh (không có dầu thừa) ⇒ hiệu suất cao. 4.3. ổn định vận tốc Trong những cơ cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ chính xác cao, thì các hệ thống điều chỉnh đơn giản nh− đã trình bày ở trên không thể đảm bảo đ−ợc, vì nó không khắc phục đ−ợc những nguyên nhân gây ra sự không ổn định chuyển động, nh− tải trọng không thay đổi, độ đàn hồi của dầu, độ rò dầu cũng nh− sự thay đổi nhiệt độ của dầu. Ngoài những nguyên nhân trên, hệ thống thủy lực làm việc không ổn định còn do những thiếu sót về kết cấu (nh− các cơ cấu điều khiển chế tạo không chính xác, lắp ráp 71
5. không thích hợp, ). Do đó, muốn cho vận tốc đ−ợc ổn định, duy trì đ−ợc trị số đã điều chỉnh thì trong các hệ thống điều chỉnh vận tốc kể trên cần lắp thêm một bộ phận, thiết bị để loại trừ ảnh h−ởng của các nguyên nhân làm mất ổn định vận tốc. Ta xét một số ph−ơng pháp th−ờng dùng để ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. Để giảm ảnh h−ởng thay đổi tải trọng, ph−ơng pháp đơn giản và phổ biến nhất là dùng bộ ổn định vận tốc (gọi tắt là bộ ổn tốc). Bộ ổn tốc có thể dùng trong hệ thống điều chỉnh vận tốc bằng tiết l−u, hay ở hệ thống điều chỉnh bằng thể tích và nó có thể ở đ−ờng vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. (Nh− ta đã biết lắp ở đ−ờng ra đ−ợc dùng rộng rãi hơn). 4.3.1. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng vào của cơ cấu chấp hành A1 A2 v F L p p p 1 2 p A B 0 Q2 p3 Q1 ∆p p 1 FL L(p2+pms) v p3 A’ D v0 Flx B’ FL p 0 Hình 4.4. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng vào Giả sử khi FL= 0 Fms Fms ta có: A1.p1 - A2.p2 - Fms= 0 ⇒ p1 = p 2 + (A1 = A 2 ,Pms = ) A1 A1 Tại van giảm áp ta có: π.D2 π.D2 p . − p . − F = 0 (4.7) 3 4 1 4 lx 4 ⇒ ∆p = p − p = F . hiệu áp qua van tiết l−u (=const) (4.8) 3 1 lx π.D2 Q c.à.A ⇒ v = = x . ∆p = const (4.9) A1 A1 72
6. Giải thích: giả sử FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông van giảm áp sang trái ⇒ cửa ra của van giảm áp mở rộng ⇒ p3 ↑ để dẫn đến ∆p = const. Trên đồ thị: p1 ≥ p2 + pms (4.10) +/ Khi p1 ↑ ⇒ p3 ↑ ⇒ ∆p = const ⇒ v = const. +/ Khi p3 = p0, tức là cửa ra của van mở hết cở (tại A trên đồ thị), nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p1 ↑ mà p3 = p1 không tăng nữa ⇒ ∆p = p3 - p1 (p3 = p0) ↓ ⇒ v ↓ và đến khi p1 = p3 = p0 ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.2. Bộ ổn tốc lắp trên đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành A1 A2 v FL p p =p p1= p0 p2 0 1 Pms Q2 p2 Flx p3 A B FL Q1 D v p3 ’ p0 v A 0 B’ FL Q2 p4 ≈ 0 Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đ−ờng ra π.D2 +/ Tại van giảm áp ta có: p . − F = 0 (4.11) 3 4 lx 4 ∆p = p − 0 = F . = const . (4.12) 3 lx π.D2 Q à.c.A 4.F ⇒ v = 2 = x . lx 2 2 = const A 2 A 2 π.D +/ Giả sử: FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ p3 ↓ ⇒ pittông van giảm áp sang phải ⇒ cửa ra mở rộng ⇒ p3 ↑ để ∆p = const. Trên đồ thị: Khi FL = 0 ⇒ p2 = p0 - pms ⇒ v = v0. Khi FL ↑ ⇒ p2 ↓ ⇒ van giảm áp duy trì p3 để ∆p = const ⇒ v0 = const. Nếu tiếp tục ↑ FL ⇒ p2 = p3 (tại A trên đồ thị), nếu tăng nữa ⇒ p2 = p3 ↓ = 0 tại B 73
7. ⇒ ∆p = 0 ⇒ v = 0. 4.3.3. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào L−u l−ợng của bơm đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e. Khi làm việc, stato của bơm có xu h−ớng di động sang trái do tác dụng của áp suất dầu ở buồng nén gây nên. A1 A2 v F L p p1 2 p0 Stato (vòng tr−ợt) F1 F2 e Buồng hút Rôto Flx Pittông điều chỉnh Buồng nén Hình 4.6. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết l−u ở đ−ờng vào Ta có ph−ơng trình cân bằng lực của stato (bỏ qua ma sát): Flx + p1.F1 - p0.F2 - k.p0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm) (4.13) Nếu ta lấy hiệu tiết diện F1 - F2 = k ⇔ F1 = F2 + k (4.13) ⇔ Flx + p1.(F2 + k) - p0.F2 - k.p0 = 0 ⇔ Flx = F2.(p0 - p1) + k.(p0 - p1) ⇔ Flx = (F2 + k).(p0 - p1) Flx Flx ⇒ p0 - p1 = = (4.14) F2 + k F1 74
8. Ta có l−u l−ợng qua van tiết l−u: Q = à.Ax .c. ∆p (4.15) Flx Flx ∆p = p0 − p1 = = (4.16) F2 + k F1 Flx ⇒ Q = à.Ax .c. = à.Ax .c. ∆p (4.17) F1 Từ công thức (4.17) ta thấy: L−u l−ợng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc tr−ng bằng p1, p0). Giả sử: FL ↑ ⇒ p1 ↑ ⇒ pittông điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm sang phải ⇒ e ↑ ⇒ p0 ↑ ⇒ ∆p = p0 - p1 = const. 75