Chương 3 - Các loại van trong hệ thống truyền động thủy lực

Chương 3 - Các loại van trong hệ thống truyền động thủy lực (Phần 3 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 3 - Các loại van trong hệ thống truyền động thủy lựcTrong hệ thống thủy lực, van có thể phân thành các loại như sau:

Van điều chỉnh áp suất: van tràn và van an toàn, van giảm áp, van cản và rơ le áp suất;

Van điều chỉnh lưu lượng: van tiết lưu và bộ ổn tốc;

Van điều khiển dòng chất lỏng: van một chiều và van đảo chiều

3.1 Van điều chỉnh áp suất

Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất trong hệ thống

3.1.1 Van tràn và van an toàn

Công dụng của van an toàn là dùng để khống chế áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực không vượt quá trị số quy định đề phòng quá tải Nguyên tắc làm việc của van là khi áp suất trong hệ thống vượt qua mức điều chỉnh, van an toàn tự động mở ra để đưa dầu về bể Van được thiết kế dựa vào sự cân bằng của áp suất dầu tác dụng lên con trượt và ngược chiều với chiều của lực lò xo Khi áp suất tăng vượt quá mức quy định, áp suất này sẽ thắng được lực lò xo

và hình khe hở thông dầu để đưa dầu về thùng chứa (bể dầu) Khi chất lỏng chảy về thùng chứa làm cho áp suất chất lỏng trong hệ thống sẽ giảm xuống như mức quy định đã được điều chỉnh trước Quá trình này không diễn ra liên tục và gọi là van an toàn

Nếu như van an toàn hoạt động liên tục để làm nhiệm vụ giữ áp suất không đổi trong hệ thống thủy lực thì gọi là van tràn Loại van tràn có kết cấu hoàn toàn giống van an toàn nhưng được điều chỉnh sao cho luôn luôn có một phần chất lỏng từ mạch cung cấp được dẫn qua van về thùng chứa Do vậy, van tràn làm việc thường xuyên với tác dụng là giữa cho áp suất không đổi

Như ví dụ ở chương 1, công thức 1.13 (1.27) là:

Q l = A l v l(Q l =D Ω)

Ta thấy khi thay đổi Q l thì v l thay đổi, với bơm dầu cố định (lưu lượng không đổi) thì ta có công thức:

Q l <Q0=Q T +Q l =const

Khi Q l thay đổi thì Q T thay đổi, làm cho dầu thừa về bể dầu qua van tràn

Khi quá tải, v l ≈ 0 dẫn đến Q l ≈ 0 và Q T ≈ Q0, tức là toàn bộ dầu về bể, van làm chức năng an toàn

Van an toàn và van tràn có nhiều loại là: loại kiểu van bi (trụ, cầu), loại kiểu con trượt (piston) vàloại van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp)

Giải thích hoạt động:

Khi không có dầu tràn: A p1<F lx

0

Khi có dầu tràn: khi áp suất p1 tăng đến p1' thì sẽ thắng lực lò xo, van mở cửa và đưa dầu về bể

Để điều chỉnh áp suất cần thiết p1 nhờ vít điều chỉnh ở phía trên

x : biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn);

p1' : áp suất làm việc của hệ thống

Khi quá tải: khi p1

- Kiểu van bi có kết cấu đơn giản

- Không dùng được ở áp suất cao

3.1.1.2 Kiểu van con trượt (hình 3.4)

Giải thích hoạt động:

Khi không có dầu tràn thì: p1 A <C x0(¿F lx0)

Khi có dầu tràn: 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 F lx thì piston sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa (2) về bể Lỗ (4) dùng để thoát dầu rò ở buồng trên về bể

Tương tự như trường hợp trên, ta có: khi p1 tăng thì F=F1

Khi quá tải: khi p1

'

tăng đến p1¿ (áp suất quá tải) thì A p1¿>F lx

Tức là: A p1

¿

=C (x0+x¿)(x¿>x), toàn bộ dầu qua cửa 2 về bể

Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc vào F lx

Đặc điểm: loại van này có độ giảm chấn cao hơn loại van bi, nên có thể làm việc êm hơn Nhượcđiểm 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

3.1.1.3 Van điều chỉnh hai cấp áp suất (hình 3.5)

Trong van có 2 lò xo với C2>C1, lò xo 1 (F lx 1) tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh,

ta có thể điều chỉnh được áp suất cần thiết

Dầu vào van có áp suất p1, phía dưới và phía trên của con trượt đều có áp suất dầu p1 Khi áp

suất dầu p1 chưa thẳng được lực lò xo F lx 1 , thì áp suất p1 cân bằng với F lx 1 , tức là: A2 p1=F lx 1

(chưa có dầu tràn)

Nếu áp suất p1 chưa tăng lên đến p ' ⟹ A2 p ' >F lx 1 ⟹ bi cầu sẽ mở ra ⟹ dầu qua con trượt lên van bi chảy về bể dầu

Do sức cản của lỗ tiết lưu nên p1> p2, tức là một hiệu áp ∆ p= p1− p2 được hình thành ở phía

dưới và phía trên con trượt (lúc này cửa (3) vẫn chưa mở),

(p1− p2) π D

2

Trong đó:

d : đường kính của lỗ tiết lưu;

D : đường kính lớn nhất của bi cầu;

ρ : khối lượng riêng của dầu, [kg /m3], ρ=900.106kg /cm3

Khi áp suất tăng đột ngột và dưới một áp lực dầu cần thiết con trượt sẽ đi lên một đoạn x12 và

mở thông cửa 3, dầu qua cửa 3 về bể dầu

Lưu lượng dầu về bể được xác định theo công thức:

Q max =μ π d2 x1(2).√2 g

Hệ số lưu lượng μ còn thay đổi tùy thuộc vào kích thước độ nâng x12 của nút van và đường kính

lỗ tiết lưu d, trị số μ đối với một số van được cho ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Bảng tra hệ số lưu lượng của van

Kiểu van Hệ số lưu lượng phụ thuộc vào các thông số

0,2980,2950,2930,290

0,3440,3400,3370,333

0,3890,3830,3790,378

0,4770,4650,4560,446

0,5730,5570,5420,526

Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực dùng 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 cầnthiết.

A p2=F lx =C (x0+x)⟹ C (x0+x)

A (bỏ qua ma sát )

Ví dụ 3.1: Khi yêu cầu hai xilanh làm việc với áp suất khác nhau (hình 3.7)

Trong hệ thống này, xilanh (1) làm việc với áp suất p1, xilanh (2) làm việc với áp suất p2 và áp suất p2< p1 Áp suất ra p2 có thể điều chỉnh được nhờ van giảm áp thông qua phương trình cân bằng piston của van giảm áp (khi bỏ qua ma sát):

Van cản có nhiều loại khác nhau: loại van bi cầu, loại van bi trụ và loại van con trượt (piston).Van cản phải có sức cản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng, ít tổn thất Vì vậy, lực lò xo phải thắng lực ma sát giữa con trượt và vỏ van

Xác định độ mở của van: lưu lượng qua van được xác định như sau:

2 : diện tích bề mặt cắt ngang của khe hở thông;

h : độ mở cửa van theo hướng trục.

Trên hình 3.9, van cản lắp vào cửa ra của xilanh có áp suất p2 Với lực lò xo là F lx và tiết diện piston của van là A, thì lực cân bằng tĩnh là:

Khi áp suất trong khoang a của rơ le tăng vượt quá trị định mức, piston (4) sẽ dịch chuyển lên trên thắng lực lò xo (3), nghĩa là:

p A >F lx

Trong đó:

p : áp suất chất lỏng làm việc trong khoang (a);

A : diện tích mặt đầu của piston;

F lx : lực nén của lò xo (3)

Lúc này con trượt (2) cũng đi lên, đẩy tấm dẫn điện (1) lên, hai tiếp điểm dưới sẽ bị ngắt và hai tiếp điểm trên sẽ được nối lại (hình 3.10b), con trượt (2) và lò xo còn có tác dụng giảm chấn.Khi áp suất khoảng (a) giảm, tức là p A <F lx thì piston (4) sẽ đi xuống và hai tiếp điểm điện trên ngắt, hai tiếp điểm dưới nối lại (hình 3.10a)

3.2 Van điều chỉnh lưu lượng

3.2.1 Van tiết lưu

Chức năng của van tiết lưu là tạo ra sức cản thủy lực cục bộ, nó được đặt trên đường chảy của chất lỏng để điều chỉnh lưu lượng của dòng chất lỏng

Để thực hiện được công việc này thì sức cản trong van tiết lưu phải lớn hơn sức cản chung trong nhanh chính của hệ thống thủy lực, còn vận tốc chất lỏng chảy qua van tiết lưu phải lớn hơn vận tốc trong đường ống nhiều lần

Van tiết lưu được sử dụng trong hệ thống thủy lực được dùng để điều chỉnh lưu lượng, tức là điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành.

Van tiết lưu có thể đặt ở đường đầu vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành

Van tiết lưu có hai loại, được ký hiệu như sau:

- Tiết lưu cố định:

- Tiết lưu điều chỉnh (thay đổi được lưu lượng):

+ Tiết lưu hai chiều:

+ Tiết lưu một chiều:

Ví dụ 3.2: Hình 3.11 là sơ đồ nguyên lý của van tiết lưu được lắp ở đường ra của hệ thống thủy lực Cách lắp đặt này được dùng phổ biến, vì van tiết lưu thay thế cả chức năng của van cản, tạonên một áp suất nhất định trên đường ra của xilanh, do đó làm cho xilanh chuyển động êm

Ta có các phương trình:

Q2= A2 v là lưu lượng qua van tiết lưu

∆ p= p2− p3 là hiệu áp qua van tiết lưu

Lưu lượng dầu Q2 qua van tiết lưu được tính theo công thức Torixelli như sau:

μ : hệ số lưu lượng, μ=0 ,6 ÷ 0 ,8 (thường lấy μ=0 ,65);

ρ : khối lượng riêng của dầu, [kg /m3], ρ=9.10−4kg /cm3;

A x : diện tích mặt cắt của tiết diện chảy, [cm2]

Theo công thức (3-12) thì khi A x thay đổi dẫn đến ∆ p thay đổi làm cho v thay đổi

Vậy muốn điều chỉnh vận tốc v ta điều chỉnh tiết diện chảy A x.

Van tiết lưu có 2 loại chính: van tiết lưu điều chỉnh dọc trục và van tiết lưu điều chỉnh quanh trục

3.2.1.1 Van tiết lưu điều chỉnh dọc trục

Tiết diện chảy là bề mặt thẳng góc với dòng chảy, phụ thuộc vào kết cấu cùa van Tiết diện chảy của van tiết lưu là điển hình nhất trong tất cả các cơ cấu điều chỉn, vì vậy ta chỉ tính toán một số tiết diện chảy như ỏ hình 3.12, từ đó có thể suy luận để tính các tiết diện chảy khác

Hình 3.12a, là loại con trượt có gờ trục 90 ° (thường sử dụng trong các van trượt điều khiển và van đảo chiều) Tiết diện chảy là bề mặt xung quanh của hình trụ, tiết diện này phụ thuộc vào lượng dịch chuyển h của con trượt và được tính như sau:

Đối với van bi ở hình (3.12c) thường sử dụng ở van tràn), có tiết diện chảy được tính theo công thức:

A x =πa(d1+d2

Với: a=h sin α ;d1=2.(r+a) cos α ;d2=2r cos α

Thay các trị số của a , d1 và d2 vào công thức (3-15), ta có:

A x =πh sin α[2.(r+a).cos α+2r cos α

Biến đổi ta được: A x=πh

2 sin 2 α (2r+h sin α ) (3.16)3.2.1.2 Van tiết lưu điều chỉnh quanh trục

Tiết diện chảy ở hình 3.13a là một rãnh hình chữ nhật có chiều rộng là b, được xẻ trên mặt trụ

của trụ rỗng có đường kính D Nếu quay trụ rỗng một góc φ thì tiết diện chảy thay đổi và ta có

công thức sau:

A x=πDbφ

Hình 3.13b có tiết diện chảy là hình tam giác, đỉnh của nó thay đổi trên cung arcsimet có tâm

đặt lệch so với tâm o2 một khoảng e và có bán kính cong r Tiết diện chảy có thể tính gần đúng theo công thức sau:

Theo công thức (3-12) khi tải thay đổi thì ∆ p thay đổi dẫn đến v thay đổi mặc dù đã điều chỉnh

v Để ổn định vận tốc v khi điều chỉnh bằng tiết lưu ta sử dụng bộ ổn tốc

Bộ ổn tốc là kết hợp giữa van giảm áp và van tiết lưu, có thể lắp bộ ổn tốc trên đường vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành

Hình 3.15 là sơ đồ ví dụ về ứng dụng bộ ổn tốc lắp trên đường dầu ra để ổn định tốc độ chuyển động v của piston – xilanh thủy lực

Điều kiện để bộ ổn tốc làm việc là: p2> p3> p4

Phương trình cân bằng của piston van giảm áp là:

A p3− A p4−F lx =0⟹ ∆ p= p3− p4=F lx

A (bỏ qua ma sát) (3-20)Lưu lượng chảy qua van tiết lưu (theo Torixelli):

Q2=μ A x c √∆ p=K √F lx

Như vậy Q2 không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào F lx nên vận tốc v sẽ ổn định

3.3 Van điều khiển

3.3.1 Van một chiều

Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một chiều nhất định và chặn theo chiều ngược lại.

Kí hiệu:

(gần giống như van cản)

Van một chiều gồm có: kiểu van bi và kiểu con trượt như hình 3.16

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 (nhằm giảm tiêu hao công suất)

Ví dụ 3.3: Hình 3.17 là sơ đồ thủy lực sử dụng hai bơm dầu cho 1 cơ cấu chấp hành

Khi thực hiện vận tốc công tác v1 (piston tịnh tiến), bơm 1 (Q1) hoạt động:

Khi thực hiện vận tốc chạy không v2 (piston lùi về) thì cả hai bơm cùng cung cấp dầu (Q1,Q2):

Q1+Q2= A2 v2(Q2≫Q1) (3-23)

Giải thích nguyên lý:

- Khi có tải F L và thực hiện v1 thì p1> p2, van một chiều bị chặn, trên van piston ta có A p1>F lx

(bỏ qua ma sát), piston sẽ đi lên làm cho cửa P và T thông nhau, dẫn đến dầu Q2 về bể dầu, lúc này lưu lượng Q1 cung cấp để cung cấp để piston thực hiện v1=Q1

A1

- Khi chạy nhanh với v2 (không tải): áp suất p1 giảm xuống p1 ¿

⟹ F lx ≥ p1¿ A, làm cho piston đi xuống đóng cửa T, lúc này p2 tăng và p2> p1, van một chiều mở, lưu lượng cung cấp Q2 cùng với

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

Van tác động khóa lẫn (hình 3.19)

Kết cấu của van tác động khóa 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 lý thuyết 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

3.3.2 Van đảo chiều

Van đảo chiều là cơ cấu điều khiển dùng để đóng, mở các ống dẫn để đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành (xilanh thủy lực hay động cơ thủy lực) Hình 3.20 là nguyên lý của một vanđảo chiều kiểu con trượt

Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất được xác định là:

A=π d x : diện tích mặt cắt khe hở của van, [cm2];

x : độ mở của van (kích thước khe hở), [cm];

d : đường kính con trượt của van, [cm];

∆ p : độ chênh lệch áp suất trong van, [kg /cm2];

p1 : áp suất dầu vào khỏi van, [kg/cm2];

p2 : áp suất dầu ra khỏi van, [kg /cm2];

g : gia tốc trọng trường, [cm /s2];

ρ : khối lượng riêng của dầu, [kg /cm3]

Khi x và p1 không đổi, nếu tăng áp suất p2 thì lượng chất lỏng qua van sẽ giảm đi

Khi áp suất của phụ tải p2=0 Phương trình lưu lượng qua van có dạng:

ρ p1 : hệ số khuếch đại lưu lượng

Phương trình trên chứng tỏ giữa lưu lượng Q và độ mở cửa van x (tín hiệu điều khiển) có quan

hệ tuyến tính với nhau Với loại van, con trượt chỉ có 2 trạng thái (đóng và mở) thì khi mở van, x

là một giá trị cố định nên Q cũng sẽ không đổi, loại van này gọi là van đảo chiều hoặc van phân phối Với loại van mà điều chỉnh được x, khi x thay đổi thì lưu lượng Q sẽ thay đổi, loại van này

là van tỷ lệ hoặc van servo (xem ở mục 3.4.1)

b) Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2)

d) Van đảo chiều 5 cửa, 2 vị trí (5/2)

e) Van đảo chiều 5 cửa, 3 vị trí (5/3)

3.3.2.3 Các loại cơ cấu tạo tín hiệu tác động

Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều được biểu diễn hai phía ở bên trái và bên phải của ký hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm thay đổi vị trí làm việc của con trượt van đảo chiều

3.3.2.4 Các loại van điện thủy lực ứng dụng trong mạch điện điều khiển tự độnga) Phân loại: có hai loại đó là van solenoid và van tỷ lệ, van servo.

b) Công dụng

- Van solenoid: dùng để đóng mở (như van phân phối thường), điều khiển bằng nam chậm điện,

có thể dùng trong các mạch điện điều logic

- Van tỷ lệ và van servo: là phối hợp giữa van phân phối và van tiết lưu (tham khảo mục 3.4.1) cóthể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van, được dùng trong các mạch điều khiển tự động.c) Van solenoid

Van solenoid gồm các bộ phận chính là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.27) gồm có thân van, con trượt và hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp (hình 3.28) gồm có van sơ cấp 1 (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

d) Van tỷ lệ

e) Van servo

Nguyên lý làm việc

Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình 3.30 gồm các ở

bộ phận sau: nam chậm vĩnh cửu; phần cứng và hai cuộn dây; cánh chặn và càng đàn hồi; ống đàn hồi; miệng phun dầu

Hai nam châm vĩnh cữu đặt đối xứng tạo thanh khung hình chữ nhật, phần cứng 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 (hoặc bằng 0) Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối với trực tiếp với con trượt Khi dòng 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 miêng phun dầucũng 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: