Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 3: Van điều chỉnh áp suất - Lê Thể Truyền

Nội dung text: Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 3: Van điều chỉnh áp suất - Lê Thể Truyền

1. CENNITEC VAN ĐIỀU CHỈNH ÁP SUẤT LE THE TRUYEN
2. Nguyên lý họat động Nguyên lý làm việc chung của các van điều chỉnh áp suất là dùng lực lò xo để cân bằng với lực thủy lực. Hình 3.1 biểu diễn nguyên lý làm việc của van điều chỉnh áp suất. Trạng thái van khi PA ≤ F Trạng thái van khi PA > F Con trượt (spool) Lò xo Lực thủy lực Fd = PA Áp suất P Tiết diện A Lực lò xo F Cửa điều khiển Cửa dầu rò rỉ Dầu vào Dầu ra Hình 3.1 Van điều chỉnh áp suất Khi lực thủy lực tại cửa điều khiển nhỏ hơn lực lò xo, con trượt được giữ ở vị trí mà nó ngăn không cho dầu đi qua van. Khi áp suất tăng lên dẫn đến lực thủy lực này cũng tăng lên, và nếu nó lớn hơn lực lò xo thì con trượt bị đẩy qua bên phải làm cho dầu đi được qua van.
3. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp Con trượt Lò xo Pressure port P T Tank port Hình 3.3 Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp Hình 3.3 trình bày cấu tạo của van giới hạn áp suất tác động trực tiếp. Nó bao gồm 1 con trượt (cầu, hoặc côn) và lò xo. Khi áp suất tại cửa P của van đủ lớn để thắng lực lò xo, con trượt chuyển động khỏi vị trí cân bằng và cho phép dầu trở về bể chứa dầu qua cửa T của van, từ đó giới hạn áp suất cho hệ thống. Đối với van giới hạn áp suất tác động trực tiếp thì tần số đóng mở của van tương đối lớn dẫn đến việc vận hành không liên tục và gây ra rung động, ồn. Van này chỉ được sử dụng cho các hệ thống có lưu lượng nhỏ.
4. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp Độ mở của van, Av, và diện tích tác dụng Ap của con trượt thay đổi phi tuyến theo sự dịch chuyển của con trượt. Tuy nhiên, ở một số thiết kế khác thì diện tích tác động của con trượt là hằng số như được trình bày trong hình 3.5. Hình vẽ này minh họa một van giới hạn áp suất tác động trực tiếp, bao gồm: con trượt (1), thân van (2), lò xo (3), tấm chặn (4), và nút điều chỉnh (5). 5 4 3 2 1 P D Q T xr 1. Con trượt, 2. Thân van, 3. Lò xo, 4. Đế van, 5. Nút điều chỉnh Hình 3.5 Van giới hạn áp suất dạng con trượt dẫn hướng
5. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp Mối quan hệ giữa lưu lượng qua van và áp suất của hệ thống A Q = C  p (P − P ) 2P/ = K(P − P ) P d k r r Áp suất càng tăng lên, con trượt dịch chuyển xa hơn, lưu lượng về bể chứa cũng nhiều hơn. Áp suất tăng đến một giá trị đủ lớn thì tòan bộ lưu lượng sẽ trở về bể chứa.
6. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp P = ΔPFC + ΔPM ΔPFC n i m / l , g n 35 ợ ư l u ư 30 L 25 20 ΔPM 15 10 180 5 0 50 100 150 200 250 300 350 Áp suất, bar Hình 3.7 Mạch điều khiển động cơ thủy lực Bơm có lưu lượng cố định cung cấp lưu lượng là 20 l/min cho động cơ thủy lực. Van điều chỉnh lưu lượng mở hòan tòan, và áp suất tại van giới hạn áp suất đo được là 100 bar. Để giảm vận tốc của động cơ một nửa so với hiện tại thì độ mất áp qua van điều chỉnh lưu lượng là bao nhiêu?
7. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp P = ΔPFC + ΔPM ΔPFC ΔPM Năng lượng chuyển thành nhiệt năng khi lưu lượng 10 l/min qua van điều chỉnh lưu lượng là: NFC = PQ/600 = (165-100) x 10 /600 = 1.08 kW Công suất thủy lực chuyển sang công có ích là: 5.5 – 2.75 – 1.08 = 1.67 kW Hiệu suất của hệ thống là 1.67/5.5 = 0.3036 hay 30,36 %
8. Van giới hạn áp suất tác động gián tiếp Van điều khiển Cửa điều khiển V Lổ trích dầu O P P V Lò xo S P T T T Con trượt chính Hình 3.8 Van giới hạn áp suất tác động gián tiếp Nó bao gồm một con trượt chính được điều khiển bởi một van giới hạn áp suất tác động trực tiếp được gắn kèm trong van. Áp suất phía trước con trượt của van điều khiển này được lấy từ áp suất tại cửa P của van chính nhờ lổ trích dầu O. Khi van điều khiển đóng, con trượt chính ở trong trạng thái cân bằng thủy lực vì có áp suất bằng nhau tại hai mặt đối diện nhau của nó. Tuy nhiên, nhờ tác động của lực lò xo S, con trượt chính bị ép vào đế van. Bất kỳ một sự gia tăng áp suất nào tại cửa P của van sẽ dẫn tới sự gia tăng áp suất tại phía trước con trượt của van điều khiển. Nếu áp suất này đủ lớn để thắng lực lò xo của van điều khiển này và làm van mở thì áp suất phía trên của con trượt chính giảm, dẫn đến trạng thái cân bằng bị mất đi. Kết quả là con trượt chính bị đẩy lên và cho phép dầu đi từ cửa P sang cửa T.
9. Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp P = ΔPFC + ΔPM n i ΔPFC m / l Van giới hạn áp suất tác động , g gián tiếp n 35 ợ ư l u ư 30 L 25 20 Van giới hạn áp suất tác động trực tiếp ΔPM 15 10 5 ΔP = 7 bar 0 50 100 150 200 250 300 350 Áp suất, bar Hình 3.10 Mạch điều khiển động cơ thủy lực dùng van giới hạn áp suất tác động gián tiếp Bơm có lưu lượng cố định cung cấp lưu lượng là 20 l/min cho động cơ thủy lực. Van điều chỉnh lưu lượng mở hòan tòan, và áp suất tại van giới hạn áp suất đo được là 100 bar. Để giảm vận tốc của động cơ một nửa so với hiện tại thì độ mất áp qua van điều chỉnh lưu lượng là bao nhiêu?
10. Van giới hạn áp suất tác động gián tiếp Một cửa điều khiển riêng (cửa V) cho phép điều khiển van từ xa. Cửa này nằm cùng phía với bộ phận điều khiển của van và khi nó nối với bể chứa dầu thì với áp suất rất nhỏ con trượt chính vẫn bị đẩy ra khỏi vị trí cân bằng. Phương pháp này được sử dụng để xả tải của bơm. PH Van chính PL < PH Van điều khiển từ xa Van chính cũng có thể được điều khiển từ xa bằng cách nối đường điều khiển của van với một van giới hạn áp suất tác động trực tiếp. Hình 3.10 trình bày phương pháp điều khiển T P này. V Đến hệ thống Hình 3.10 Dùng van điều khiển từ xa
11. Van giới hạn áp suất tác động gián tiếp Khi cuộn dây a được cấp điện, đường điều khiển nối qua van giới hạn áp suất có giá trị PL (PL < PH) khí đó giá trị cài đặt cho van chính sẽ là PL. PH Khi cuộn dây b được cấp điện, đường Cuộn dây Áp suất a b 0 0 0 điều khiển V bị khóa lại, khi đó van giới PL 1 0 hạn áp suất gắn kèm trên van sẽ giữ vai PH 0 1 trò là van điều khiển. Giá trị cài đặt cho PL van chính lúc này là PH. Tuy nhiên, để van chính có thể làm việc với nhiều giá trị a b khác nhau như vậy van cần phải được T P điều chỉnh đúng. Trong trường hợp này, V các giá trị áp suất được điều chỉnh theo Đến hệ thống thứ tự từ cao đến thấp. 1. Trước khi tiến hành cài đặt cho một van giới hạn áp suất, các lò xo trên van phải được nới lỏng hoàn toàn. 2. Cấp điện cho cuộn dây b và chỉnh lò xo của van giới hạn áp suất gắn kèm trên van chính cho đến khi áp suất đạt giá trị PH. 3. Ngắt điện cuộn dây b, sau đó cấp điện cho cuộn dây a đồng thời chỉnh van giới hạn áp suất PL cho đến khi áp suất đạt giá trị PL (PL < PH).
12. Một vài ứng dụng của van giới hạn áp suất Ngòai chức năng chính là giới hạn áp suất lớn P3 < P1 M nhất của hệ thống để ngăn ngừa sự quá tải, các van giới hạn áp suất cũng được dùng để xả áp P2 < P1 suất tăng cục bộ tại các buồng làm việc của cơ cấu chấp hành vì áp suất đó có thể gây hư hại cho các thành phần trong hệ thống. Khi xy lanh dừng lại thì dòng chất lỏng P1 Ngăn hiện tượng xâm thực đang chuyển động với vận tốc cao - áp suất lớn cũng dừng lại, làm cho áp suất trong các ống dẫn tăng rất cao. Các van giới hạn áp suất được lắp tại các nhánh này có nhiệm vụ xả các áp suất cao đó để bảo vệ hệ thống. Hình 3.14 Van giới hạn áp suất dùng để xả áp xuất cục bộ tại các buồng của xy lanh
13. Một vài ứng dụng của van giới hạn áp suất Tính độ gia tăng áp suất trong ống dẫn thủy lực do sự đóng đột ngột của van phân phối. Vận tốc dòng chảy trong ống là v = 5 m/s, áp suất là p = 150 bar. Ống dẫn được làm từ vật liệu có modul đàn hồi là E = 2.1 x 105 N/mm2. Đường kính ngoài của ống là 22 mm, chiều dày ống là 2 mm. Modul đàn hồi của dầu là B = 13500 bar, ρ = 0.9 kg/l. Hệ số gia tăng áp suất trong ống dẫn được tính như sau: 1/ 2 B 1 a = BD 1+ i eE Với Di là đường kính trong của ống, e là chiều dày ống. Di = 22 – 2x2 = 18 mm E = 2 mm E = 2,1 x 105 (N/mm2) = 2,1 x 106 (daN/cm2)
14. Van xả tải Van xả tải có nguyên lý làm việc gần giống với van giới hạn áp suất tác động gián tiếp. Van này có thể được dùng để thực hiện các chức năng sau: 1) Giới hạn áp suất lớn nhất cho hệ thống (tương tự van giới hạn áp suất) 2) Nạp dầu vào bình tích áp đến áp suất lớn nhất và duy trì thể tích dầu và áp suất dầu trong bình tích áp 3) Xả tải bơm khi áp suất trong bình tích áp đã đạt đến giá trị cần Cấu tạo và nguyên lý làm việc của van xả tải được trình bày ở hình 3.17 Piston điều khiển mở van Van điều khiển A V V Van một chiều Lổ trích dầu Cửa dầu ra A T Con trượt chính Cửa dầu vào P T P Hình 3.17 Van xả tải
15. Van xả tải Trạng thái mở Khi áp suất trong hệ thống đạt đến 100 bar, con trượt chính của van bị đưa ra khỏi vị trí cân bằng và cho phép dầu đi được từ cửa P sang cửa T. Lúc này bơm xả tải vì lực cản tạo ra bởi van này rất nhỏ. Áp suất cản này vào khỏang 12 bar như được trình bày trong hình 3.19. Cùng thời điểm này, dầu được ép trở lại hệ thống nhờ bình tích áp. Theo đường điều khiển V, áp suất này tác động vào piston điều khiển làm cho van điều khiển luôn mở nhờ đó duy trì trạng thái mở của con trượt chính. Van một chiều có chức năng ngăn không cho dầu xả ngược về bể chứa dầu. Nhờ đó áp suất trong mạch chính được duy trì trong khi bơm vẫn xả tải. P = 100 bar Bình tích áp V 100 bar A 12 bar P M T Hình 3.19 Trạng thái mở của van xả tải
16. Van ngắt tải Van ngắt tải Cấu tạo của van được trình bày trong hình 3.21. Cửa P là cửa dầu vào, cửa T nối với bể bể chứa dầu và X là cửa điều khiển. Van ngắt tải thường được điều chỉnh ở giá trị thấp, trong trường hợp này là 25 bar. Giá trị cài đặt cho van ngắt tải cần phải được tính toán phù hợp cho từng ứng dụng. Giá trị này phải đủ lớn để cơ cấu chấp hành có đủ tải. Van ngắt tải Lò xo chính Ở giai đọan đầu vì cơ cấu chấp hành Hệ thống chạy không tải nên áp suất trong hệ 25 bar thống chưa tăng cao. Do đó lò xo Q = QL + QH trong van giữ tải giữ con trượt ở vị trí P = 20 bar đóng như trong hình 3.21. Vì vậy cả T hai bơm, bơm có lưu lượng cao QH P P = 20 bar và bơm có lưu lượng thấp QL, đồng thời cung cấp lưu lượng cho hệ Con trượt thống. Cơ cấu chấp hành nhận được X lưu lượng là tổng của lưu lượng hai 100 bar M bơm (QH + QL) nên có vận tốc Low flow QL High flow QH nhanh. Dù lưu lượng lớn nhưng áp suất ở giai đoạn này là nhỏ nên công suất tiêu thụ của hệ thống cũng nhỏ. Hình 3.21 Van ngắt tải đang ở trạng thái đóng
17. Van ngắt tải Sơ đồ thủy lực và mạch điều khiển của một máy ép thủy lực trong công nghiệp trình bày lại trong hình 3.23. MAY EP DUNG 2 BOM MACH THUY LUC RUNG1 1-1IC1.IN0 TON1.DN 1-1OC1.OUT2 S1 S2 1-1OC1.OUT2 1-1IC1.IN4 TON Timer ON-Delay Timer T2:1 Time Base 1s Preset 10 Accum 0 TON1.DN 1-1OC1.OUT4 1-1IC1.IN2 VAN XA TAI Y1 Y2 1-1OC1.OUT4 0.00 Bar END CHUONG TRINH PLC 0.00 Bar SO DO NOI DAY START 1-1IC1 1-1OC1 IN0 OUT0 S1 IN1 OUT1 Y1 IN2 OUT2 S2 IN3 OUT3 Y2 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 COM COM Hình 3.23 Máy ép thủy lực dùng hai bơm
18. Van cân bằng (counter balance valve) Hạ tải Van cân bằng phải được điều chỉnh ở giá trị lớn hơn một ít so với giá trị 1000 kg áp suất cần để giữ tải không rơi tự do. Nhờ áp suất cản này (được tạo ra tại cửa A) mà khi có tín hiệu điều khiển b = 1 xy lanh không bị rơi tự B do. Dầu từ bơm nén vào buồng trên A của xy lanh làm cho áp suất tại cửa Back pressure A tăng lên và khi áp suất này vuợt qua giá trị cài đặt của van cân bằng b a (được chỉnh bởi lò xo) thì lưu lượng thóat từ xy lanh qua được cửa A để a b về bể chứa dầu. 0 0 Treo tải M 0 1 Hạ tải 1 0 Nâng tải
19. Van cân bằng (counter balance valve) Ví dụ 3.1 Ứng dụng của van cân bằng tải (hình 3.25) 10 kN Van cân bằng Tải có trọng lượng là 10 kN và xy lanh có tiết diện hình vành khăn là 0.002 m2 Áp suất gây ra bởi tải là = (10) (103) / 0.002 = 50 bar Giá trị cần cài cho van cân bằng là 50 x 1.3 = 65 bar
20. Van cân bằng (counter balance valve) Giá trị phải cài đặt cho van an tòan là 17.8 x 1.3 = 23 bar. D = 80 mm Áp suất tại buồng trên của xy lanh cần để d = 60 mm bù vào áp suất cản của van cần bằng là 0.0028 23x = 13 bar 5 kN 0.005 F = 100 kN Van cân bằng Áp suất cần cung cấp để tạo lực ép 100 kN làPhôi 100x103 x10-5 +13 = 213 bar 0.005 Như vậy, 13 bar là giá trị mà nguồn cung cấp cần phải tăng lên để bù vào lực cản do van cân bằng tạo ra trong trường hợp này.
21. Overcenter valve (brake valve) Xét ứng dụng trong ví dụ 3.2 nhưng trường hợp này dùng van overcenter. Van được cài đặt ở giá trị 23 bar để cân bằng với trọng lượng 5 kN của khuôn. Tỉ lệ các tiết diện làm F = 100 kN việc của xy lanh là 2:1. Hình 3.28 a) Phôi mô tả trạng thái khi xy lanh mang khuôn đi xuống (chưa ép chi tiết), vì áp suất tại buồng điều khiển X lúc này rất nhỏ nên van overcenter có A vai trò như là van cân bằng. Van tạo ra áp suất cản là 23 bar để ngăn P Back pressure không cho xy lanh rơi tự do. X Hình 3.28a Máy ép dùng van overcenter
22. Overcenter valve (brake valve) Van overcenter cũng được dùng nhiều trong các mạch điều khiển động cơ thủy lực như một van hãm (brake valve) Phanh Giảm gia tốc và quay A A P P X X Giữ tải khi van phân phối trở về trạng thái nghỉ Chống tải di chuyển tự do
23. Van tuần tự Van tuần tự thường đóng được trình bày trong hình 3.30. Van một chiều lắp bên trong van cho phép dầu đi tự do ở hướng ngược lại. Tính hiệu cho sự bắt đầu 1 chu trình kế tiếp Van tuần tự Hình 3.31 Mạch thủy lực dùng van tuần tự
24. Van giảm áp (reducing valve) Trong một vài hệ thống thủy lực có sự hiện diện của một số nhánh mà ở đó áp suất làm việc nhỏ hơn so với hệ thống chính. Van giảm áp suất được dùng để thực hiện mục đích này. Không giống như các loại van điều khiển áp suất đã được trình bày là loại van thường đóng, van giảm áp là van thường mở. P Vg A A 1 2 PT Pr Q Q M Hình 3.34 Nguyên lý giảm áp suất Hai tiết diện nhỏ được dùng để nối đường áp suất thấp với đường áp suất cao và đường dầu xả. Áp suất thấp, Pr, được tăng nếu tăng tiết diện A1, hoặc giảm tiết diện A2, và ngược lại.
25. Van giảm áp (reducing valve) Áp suất đầu ra cần có (nhánh thứ cấp) được cài đặt bằng van giới hạn áp suất trên van. Dưới sự tác động của áp suất tại cửa P của van, con trượt mở rộng cho dầu đi từ cửa P sang cửa A. Van giảm áp T P Vg A A 1 2 PT P r P Q Q A M Lổ trích dầu Hình 3.35 Van giảm áp
26. Van giảm áp (reducing valve) MAY KHOAN THUY LUC S2 XY LANH KHOAN XY LANH KEP 1 S 0.00 Bar Y1 Y2 0.00 Bar MACH DIEU KHIEN DIEN T1 T2 K01 SEL_AUTO K00 K00 K02 K1 K02 K00 S1 STARTM AN SEL_MAN K1 ST.AU Input Output K1 K00 K02 K01 S1 STARTAUTO S2 Y2 K1 Y1