BÀI 4. VAN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG potx

Sự phụ thuộc tải trọng, áp suất, lưu lượng hình 4.4 – Khi tiết diện chảy của van tiết lưu không thay đổi, tổn thất áp suất ∆ P=P1−P2 qua van tiết lưu sẽ thay đổi khi tải trọng Fw thay đổ

BÀI 4 VAN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG (FLOW CONTROL VALVES)

Nội dụng:

1 Van tiết lưu

1.1 Chức năng

1.2 Nguyên lý hoạt động

1.3 Kết cấu tiết diện của van tiết lưu

1.4 Các loại van tiết lưu

1.5 Sự phụ thuộc tải trọng, áp suất, lưu lượng

2 Bộ ổn tốc

2.1 Chức năng

2.2 Kết cấu bộ ổn tốc

2.3 Cách lắp bộ ổn tốc

3 Bộ phân dòng

Trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực, vận tốc của xilanh thủy lực được điều khiển thông qua điều khiển lưu lượng dầu vào các khoang của xilanh bằng cách sử dụng các thiết bị điều khiển lưu lượng đó là van điều khiển lưu lượng Các thiết bị điều khiển lưu lượng thường dùng là: van tiết lưu, bộ ổn tốc, bộ phân dòng

1 Van tiết lưu (Throttle Valves)

1.1 Chức năng:

Van tiết lưu có chức năng điều chỉnh lưu lượng dòng chảy qua nó

1.2 Nguyên lý hoạt động

Van tiết lưu làm việc dựa trên nguyên lý lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện cho dòng chảy qua của van Lưu lượng dầu Qv qua van được tính theo công thức Torricelli như sau:

Q v=μ A t√2 ∆ P ρ

Trong đó: μ – hệ số lưu lượng

A t – diện tích mặt cắt khe hở van tiết lưu [m2]

∆ P=P1−P2 – hiệu áp suất trước và sau khe hở van tiết lưu [N/m2]

ρ – khối lượng riêng của dầu [kg/m3]

Hình 4.1 Hiệu áp suất và lưu lượng qua van tiết lưu

1.3 Kết cấu tiết diện của van tiết lưu

Có 2 dạng hình học của lỗ tiết lưu:

– Dạng vòi phun: lưu lượng qua van phụ thuộc vào độ nhớt động học và nhiệt độ

– Dạng bướm tiết lưu: lưu lượng qua van không phụ thuộc vào độ nhớt động học và nhiệt độ

Hình 4.2 Kết cấu tiết diện của van tiết lưu

a – dạng vòi phun; b – dạng bướm tiết lưu

1.4 Các loại van tiết lưu

Có 2 loại van tiết lưu:

– Van tiết lưu hai chiều (hình 4.3 a và b): loại này cho dầu đi qua theo cả 2 chiều, và có 2 loại: van tiết lưu 2 chiều điều chỉnh được tiết lưu và van tiết lưu 2 chiều có tiết lưu không đổi

– Van tiết lưu một chiều (hình 4.3.c): chỉ điều chỉnh được tiết lưu theo 1 chiều Khi điều chỉnh vít (1), tiết diện khe hở (3) thay đổi, tiết lưu được điều chỉnh

từ A sang B, còn từ B sang A dầu đi tự do qua van một chiều (2)

a, b, c,

d Hình 4.3 Các loại van tiết lưu

a – van tiết lưu 2 chiều tiết lưu không đổi; b – van tiết lưu 2 chiều tiết lưu thay

đổi được; c – van tiết lưu một chiều; d – hình dáng ngoài

1.5 Sự phụ thuộc tải trọng, áp suất, lưu lượng (hình 4.4)

– Khi tiết diện chảy của van tiết lưu không thay đổi, tổn thất áp suất

∆ P=P1−P2 qua van tiết lưu sẽ thay đổi khi tải trọng Fw thay đổi Như vậy dẫn đến vận tốc v của cơ cấu chấp hành thay đổi

– Khi tải trọng Fw tăng thì áp suất P2 tăng, hiệu áp ∆ P=P1−P2 giảm, lưu lượng qua van tiết lưu QT giảm, vận tốc v giảm và khi tải trọng Fw giảm thì áp suất P2

giảm, hiệu áp ∆ P=P1−P2 tăng, lưu lượng qua van tiết lưu QT tăng, vận tốc v tăng

– Ví dụ ứng dụng: quá trình cưa phôi trên hình 4.5 yêu cầu như sau: khi mới cắt, lực cắt nhỏ (Fw nhỏ), vận tốc pit-tông (vận tốc cắt) có thể lớn, nhưng khi càng cắt vào sâu, thì diện tích tiếp xúc càng lớn, do đó lực cắt Fw càng lớn yêu cầu vận tốc chuyển động của pit-tông v nhỏ để quá trình cắt đảm bảo được an toàn Muốn vậy, ta lắp van tiết lưu vào hệ thống như trên hình 4.5 Khi đó tổn thất áp suất trước và sau van tiết lưu sẽ thay đổi theo lực cắt Fw , do đó lưu lượng và vận tốc v cũng thay đổi theo

Hình 4.4 Sự phụ thuộc của tải trọng Fw, áp suất, lưu lượng QT qua van tiết lưu

Hình 4.5 Ví dụ ứng dụng van tiết lưu trong quá trình cưa bằng máy thuỷ lực

2 Bộ ổn tốc (Pressure-compensated flow control valves)

2.1 Chức năng

Trong những cơ cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ chính xác cao, thì các hệ thống điều chỉnh đơn giản dùng van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành

không thể đảm bảo được, vì nó không khắc phục được những nguyên nhân gây ra sự không ổn định chuyển động, như sự thay đổi của tải trọng, sự thay đổi độ đàn hồi của dầu, độ rò dầu, sự thay đổi của nhiệt độ Ngoài những nguyên nhân trên, hệ thống còn bị ảnh hưởng do những thiếu sót về kết cấu như: các cơ cấu điều khiển chế tạo không chính xác,… Để khắc phục những nguyên nhân trên, trong hệ thống đó dùng các bộ ổn tốc

Bộ ổn tốc có chức năng điều chỉnh và ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành bằng cách điều chỉnh và ổn định lưu lượng dầu qua nó

Trên hình 4.6 mô tả mạch thủy lực sử dụng bộ ổn tốc để điều chỉnh và ổn định tốc

độ của xilanh thủy lực

Hình 4.6 Hoạt động của bộ ổn tốc trong mạch thuỷ lực

2.2 Kết cấu và hoạt động của bộ ổn tốc

– Bộ ổn tốc được cấu tạo từ : van tiết lưu và van giảm áp

– Hoạt động: Bộ ổn tốc điều chỉnh lưu lượng qua nó (dẫn đến điều chỉnh được vận tốc CCCH) bằng van tiết lưu điều chỉnh được tiết lưu và ổn định lưu lượng này bằng cách giữ hiệu áp suất giữa 2 đầu van tiết lưu không đổi nhờ van giảm áp của

nó, do đó vận tốc của CCCH cũng được giữ ổn định

Sau đây là một số phương pháp lắp van tiết lưu và van giảm áp để tạo bộ ổn tốc:

a) Van giảm áp lắp trước van tiết lưu

Trên hình 4.7 mô tả cấu tạo và ký hiệu của bộ ổn tốc có van giảm áp lắp trước van tiết lưu.Gọi: P1 - áp suất trước van giảm áp; P2 - áp suất qua van giảm áp; P3 - áp suất sau van tiết lưu; ∆ P - hiệu áp sau và trước van tiết lưu Khi đó:

Phương trình cân bằng lực tác động lên con trượt 2:

Hiệu áp : không đổi, do đó lưu lượng qua van tiết lưu không đổi và vận tốc không đổi

Hình 4.7 Bộ ổn tốc: van giảm áp lắp trước van tiết lưu

1 – van tiết lưu; 2 – con trượt van giảm áp

b) Van giảm áp lắp sau van tiết lưu

Trên hình 4.8 mô tả cấu tạo và ký hiệu của bộ ổn tốc có van giảm áp lắp sau van tiết lưu.Gọi:: P1 - áp suất trước van tiết lưu; P2 - áp suất sau van tiết lưu; P3 - áp suất qua van giảm áp; ∆ P - hiệu áp sau và trước van tiết lưu

Phương trình căn bằng lực tác động lên con trượt 2:

Hiệu áp : không đổi, do đó lưu lượng qua van tiết lưu không đổi và vận tốc không đổi

P2⋅ AK= P3⋅ AK+ FF

P2−P3=F F

A K=Const

ΔPP=P2−P 3

P1⋅AK= P2⋅AK+ FF

P1−P2=F F

A K=Const

ΔPP=P1−P2

Hình 4.8 Bộ ổn tốc: van giảm áp lắp sau van tiết lưu

1 – van tiết lưu; 2 – con trượt van giảm áp

c) Van giảm áp lắp song song với van tiết lưu

Hình 4.9 Bộ ổn tốc: van giảm áp lắp song song với van tiết lưu

1 – van tiết lưu; 2 – con trượt van giảm áp Trong hình 4.9, ta gọi: P1 - áp suất trước van tiết lưu; P2 - áp suất sau van giảm áp; P3 - áp suất qua van tiết lưu; ∆ P - hiệu áp sau và trước van tiết lưu

Phương trình căn bằng lực tác động lên con trượt 2:

Hiệu áp : không đổi, do đó lưu lượng qua van tiết lưu không đổi và vận tốc không đổi

P1⋅ AK= P3⋅ AK+ FF

P1−P3=F F

A K=Const

ΔPP=P1− P3

d) Tải trọng, áp suất và lưu lượng qua bộ ổn tốc 2 đường

Hình 4.10 Sự thay đổi hiệu áp suất và lưu lượng qua bộ ổn tốc 2 đường khi tải trọng

thay đổi theo thời gian

a – biểu đồ thay đổi của tải trọng F W theo thời gian; b – biểu đồ thay đổi của hiệu áp suất 2 đầu van tiết lưu ∆ P=P2−P3; c – biểu đồ thay đổi của lưu lượng qua van tiết lưu

Để hiểu rõ hơn hoạt động của bộ ổn tốc 2 đường, chúng ta xem xét mối quan hệ giữa tải trọng, áp suất và lưu lượng qua bộ ổn 2 đường qua trên hình 4.10 Ta thấy khi tải trọng F W thay đổi theo thời gian hiệu áp suất 2 đầu van tiết lưu ∆ P=P2−P3 không thay đổi và lưu lượng qua van tiết lưu cũng không thay đổi, do đó vận tốc của cần đẩy xilanh thuỷ lực cũng không thay đổi

e) Tải trọng, áp suất và lưu lượng qua bộ ổn tốc 3 đường

Trên hình 4.11 trình bày các biểu đồ cho thấy sự biến đổi áp suất và lưu lượng qua bộ ổn tốc 3 đường Qua các biểu đồ thấy được rằng: khi tải trọng thay đổi(tăng, giảm) thì áp suất P3 và P1 cũng thay đổi theo (tăng (giảm) tuyến tính cùng với sự tăng

(giảm) của tải trọng), nhưng hiệu áp suất giữa 2 đầu van tiết lưu của bộ ổn tốc 3 đường

∆ P=P1−P3 không thay đổi, do đó lưu lượng qua van tiết lưu của bộ ổn tốc cũng không thay đổi, điều đó có nghĩa là vận tốc chuyển động của pitton cũng không đổi và ổn định

ở mức được điều chỉnh không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng

Hình 4.11 Sự thay đổi hiệu áp suất và lưu lượng qua bộ ổn tốc 2 đường khi tải

trọng thay đổi theo thời gian

a – biểu đồ thay đổi của tải trọng F W theo thời gian; b – biểu đồ thay đổi của hiệu

áp suất 2 đầu van tiết lưu ∆ P=P1−P3; c – biểu đồ thay đổi của lưu lượng qua van

tiết lưu

2.3 Cách lắp bộ ổn tốc

Trong mạch thủy lực, để thực hiện chức năng điều chỉnh và ổn định tốc độ của cơ cấu chấp hành, bộ ổn tốc 2 đường có thể được lắp ở các vị trí khác nhau như: trên đường dẫn dầu vào xilanh (hình 4.12.a), trên đường dầu ra từ xilanh (hình 4.12.b), trên

đường rẽ nhánh đường vào (hình 4.12.c) Ngoài ra cũng có thể sử dụng bộ ổn tốc 3 đường như trên sơ đồ hình 4.13

Hình 4.12 Cách lắp bộ ổn tốc 2 đường 1,3 – van tràn; 2 – bộ ổn tốc 1 chiều;

a – bộ ổn tốc đặt ở đường vào; b – bộ ổn tốc đặt ở đường ra: c – bộ ổn tốc đặt ở rẽ

nhánh

Hình 4.13 Cách lắp bộ ổn tốc 3 đường

1 – van tràn; 2 – bộ ổn tốc

a, Bộ ổn tốc đặt ở đường vào

- Ưu điểm:

 Xilanh làm việc theo áp suất yêu cầu

 Có thể điều chỉnh lượng vận tốc nhỏ

- Nhược điểm:

 Phải đặt van tràn ở đường dầu về bể;

 Năng lượng không dùng chuyển thành nhiệt trong quá trình tiết lưu

b, Bộ ổn tốc đặt ở đường ra

- Ưu điểm:

 Xilanh làm việc được với vận tốc nhỏ và tải trọng lớn

 Có thể điều chỉnh lượng vận tốc nhỏ

 Không phải đặt van tràn ở đường dầu về;

 Nhiệt sinh ra sẽ về bể dầu

- Nhược điểm:

 Lực ma sát của xilanh lớn;

 Van tràn phải làm việc liên tục

c, Bộ ổn tốc đặt ở rẽ nhánh đường vào

- Ưu điểm:

 Bơm làm việc theo tải trọng, hiệu suất lớn;

 Nhiệt sinh ra sẽ về bể dầu

- Nhược điểm:

 Không thể sử dụng bình trích chứa;

 Tải trọng ngược chiều không thích hợp

d, Bộ ổn tốc 3 đường đặt ở đường vào

- Ưu điểm:

 Bơm làm việc theo tải trọng, hiệu suất lớn;

 Nhiệt sinh ra nhỏ

- Nhược điểm:

 Không thể sử dụng bình trích chứa;

 Tải trọng ngược chiều không thích hợp

3 Bộ phân dòng (Flow Dividers)

Bộ phân dòng có chức năng phân dòng chảy đến những cơ cấu chấp hành khác nhau và có lưu lượng không đổi Ngoài ra, bộ phân dòng còn có nhiệm vụ như bộ ổn tốc (hình 4.14)

c, d,

Hình 4.14 Bộ phân dòng

a – cấu tạo; b – ký hiệu; c – ví dụng ứng dụng bộ phân dòng; d – bộ phân dòng của

hãng Festo 1,2 – lỗ tiết lưu; 3,4 – hai đầu nòng van; 5 –nòng van; 6,7 – cửa ra; 8,9 – cửa ra tiết

lưu; 10,11 – đường dẫn; 12 – xi lanh thuỷ lực

Câu hỏi ôn tập

1 Trình bày chức năng, cấu tạo, ký hiệu, phân loại, và sự phụ thuộc tải trọng, áp suất, lưu lượng qua van tiết lưu?

2 Trình bày chức năng, kết cấu, nguyên lý hoạt động, ký hiệu và cách lắp đặt bộ ổn tốc trong mạch thủy lực?

3 Trình bày chức năng, cấu tạo, ký hiệu và ví dụ sử dụng bộ phân dòng trong mạch thủy lực?