Chương 4 - Điều chỉnh và ổn định vận tốc

Chương 4 - Điều chỉnh và ổn định vận tốc (Phần 4 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 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 lưu lượng dầu cung cấp cho xilanh thủy lực hoặc moto thủy lực Hiện nay có hai phương pháp điều chỉnh như sau:

- Thay đổi sức cản trên đường dẫn dầu bằng van tiết lưu gọi là phương pháp điều chỉnh bằng tiết lưu

- Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh lưu lượng của bơm cung cấp cho hệ thống thủy lực gọi là phương pháp điều chỉnh bằng thể tích

4.1 Điều chỉnh bằng tiết lưu

Điều chỉnh bằng tiết lưu sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thủy lực, lưu lượng qua van tiết được xác định theo công thức:

Khi điều chỉnh diện tích của tiết diện chảy A x sẽ làm thay hiệu áp ∆ p dẫn đến lưu lượng cung cấp Q cho cơ cấu chấp hành thay đổi và làm cho vận tốc v thay đổi

Phương pháp điều chỉnh này được sử dụng khi dùng bơm cố định (lưu lượng không đổi) Lượng dầu thừa của bơm sẽ qua van tràn để về bể dầu

Van tiết lưu có thể đặt trên đường dầu vào hoặc trên đường dầu ra của xilanh hoặc của moto thủy lực

4.1.1 Van tiết lưu đặt trên đường dẫn dầu vào

Hình 4.1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết lưu khi van tiết lưu đặt ở đường dầu vào Van tiết lưu (4) đặt ở đường vào của xilanh (1) Đường ra của xilanh được dẫn về bể dầu qua van cản (5) Nhờ van tiết lưu (4), ta có thể điều chỉnh tiết diện chảy A x, tức là điều chỉnh được lưu lượng chảy qua tiết lưu vào xilanh, do đó làm thay đổi vận tốc của piston Lượng dầu thừa (Q T) chảy qua van tràn (2) về bể dầu

Van cản (5) dùng để tạo nên một áp suất nhất định (khoảng 3 ÷ 8 ¯¿) trong buồng bên phải của xilanh (1), đảm bảo piston chuyển động êm, ngoài ra van cản (5) còn làm giảm chuyển động giật mạnh của cơ cấu chấp hành khi tải trọng thay đổi đột ngột

p0 là áp suất ở cửa ra của bơm dầu, được điều chỉnh bằng van tràn (2)

Phương trình lưu lượng: Q1 qua van tiết lưu cũng là Q1 qua xilanh (nếu bỏ qua rò dầu):

Q1= A1 v=μ A x C √∆ p (4-2)

Hiệu áp giữa hai đầu van tiết lưu:

∆ p = p0− p1 (4-3)

Theo công thức (4-2) muốn điều chỉnh tốc độ v thì ta điều chỉnh A x

Nếu như tải trọng tác dụng lên piston là F L và lực ma sát giữa piston và xilanh là F ms thì phương trình cân bằng lực của piston là:

p1 A1− p2 A2−F L −F ms =0⟹ p1= p2

A2

A1+F L +F ms

Ta nhận thấy, khi F L thay đổi thì p1 thay đổi do đó ∆ p thay đổi dẫn đến Q1 thay đổi Do vậy tốc

độ v sẽ không ổn định khi tải thay đổi

4.1.2 Van tiết lưu đặt trên đường dầu ra

Hình 4.2 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết lưu ở đường ra Van tiết lưu trong trường hợp này còn đảm nhiệm luôn chức năng của van cản, tức là tạo nên một áp suất nhất định ở đường ra của xilanh Trong trường hợp này, áp suất ở buồng trái xilanh bằng áp suất cung cấp của bơm

(bỏ qua tổn thất trên đường dẫn từ bơm đến xilanh), tức là p1≈ p0

Q2=v A2=μ A x C √∆ p (4-5)

Vì cửa ra của van tiết lưu nối liền với bể dầu (p3≈ 0) nên hiệu áp của van tiết lưu:

∆ p= p2− p3= p2

Khi điều chỉnh A x thì Q2 sẽ thay đổi Vì vậy thay đổi được cấp độ v

Từ phương trình cân bằng piston – xilanh thủy lực là:

p0 A1− p2A2−F L −F ms=0 (4-6)

⟹ ∆ p= p2= p0 A1

A2−F L +F ms

Ta nhận thấy, nếu F L thay đổi thì p2 thay đổi dẫn đến Q2 thay đổi Do đó tốc v sẽ thay không ổn định khi tải thay đổi

Nhận xét:

Cả hai cách điều chỉnh bằng tiết lưu có ưu điểm chính là kết cấu đơn giản, nhưng cả hai cách đều có nhược điểm là không đảm bảo vận tốc của cơ cấu chấp hành ở một giá trị nhất định khi tải trọng thay đổi

Thường người ta dùng điều chỉnh bằng tiết lưu 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

Nhược điểm khác của hệ thống điều chỉnh bằng tiết lưu là một phần dầu thừa qua van tràn biến thành nhiệt năng, với nhiệt độ sẽ làm giảm độ nhớt của dầu và hiệu suất thấp

Vì những lý do đó, điều chỉnh bằng tiết lưu thường dùng trong những hệ thống thủy lực có công suất nhỏ, thường không quá 3 ÷ 5 kW Hiệu suất của hệ thống điều chỉnh này khoảng

4.2 Điều chỉnh bằng thể tích

Để giảm nhiệt độ dầu, đồng thời tăng hiệu suất của hệ thống thủy lực và với những hệ thống có công suất lớn thông thường sử dụng phương pháp điều chỉnh bằng thể tích khi điều chỉnh tốc

độ của cơ cấu chấp hành Loại điều chỉnh này được thực hiện bằng cách chỉ đưa vào hệ thống thủy lực lưu lượng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định

Lưu lượng dầu có thể thay đổi bằng các loại bơm điều chỉnh (đều chỉnh được lưu lượng)

Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh bằng thể tích là công suất của cơ cấu chấp hành tỷ lệ với lưu lượng của bơm Vì thế, loại điều chỉnh này được dùng rộng rãi trong các máy có công suất lớn (lực kéo hoặc momen xoắn lớn)

Tóm lại: ưu điểm của phương pháp điều chỉnh bằng thể tích là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, dầu ít bị làm nóng, nhưng bơm điều chỉnh lưu lượng có kết cấu phức tạp, giá thành chế tạo đắt hơn hơn là bơm dầu có lưu lượng không đổi

Hình 4.3 là sơ đồ nguyên lý điều chỉnh bằng thể tích sử dụng bơm cánh gạt đơn

Lưu lượng cung cấp của bơm:

Q1=Q b =q b n[l / p h]

Trong đó:

q b : thể tích trong một vòng quay của bơm;

n : số vòng quay của bơm

Khi điều chỉnh độ lệch tâm e của bơm thì q b sẽ thay đổi dẫn đến Q b =Q1 thay đổi và làm cho vận tốc v thay đổi

Toàn bộ lưu lượng của bơm đều cung cấp cho xilanh để thực hiện chuyển động với vận tốc v (không có dầu thừa) nên hiệu suất truyền động cao

4.3 Ổn định vận tốc

Đối với những cơ cấu chấp hành cần chuyển động êm, độ chính xác ổn định vận tốc cao thì các

hệ thống điều chỉnh như trên không thể đảm bảo được, vì nó không khắc phục được những nguyên nhân gây ra sự không ổn định chuyển động do tải trọng không thay đổi, độ đàn hồi của dầu, độ rò dầu cũng như nhiệt độ của dầu thay đổi

Để giảm ảnh hưởng của sự thay đổi tải trọng, phương 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 lưu hay ở hệ điều chỉnh bằng thể tích và nó có thể lắp ở đường vào hoặc đường ra của cơ cấu chấp hành

4.3.1 Bộ ổn tốc lắp trên đường vào của cơ cấu chấp hành

Giả sử khi F L=0

Ta có: A1 p1− A2 p2−F ms=0

⟹ p1= p2+F ms

A1 (A1= A2, p ms=F ms

Tại van giảm áp ta có:

p3 π D

2

4 − p1 π D

2

Nên: ∆ p= p3− p1=F lx 4

π D2 không phụ thuộc vào tải trọng, (4-9)

Và: v= A Q

1

=C μ A x

Giải thích: giả sử F L tăng ⟹ p1↑ ⟹ piston van giảm áp dịch chuyển sang trái ⟹ cửa ra của van giảm áp mở rộng ⟹ p3↑ để dẫn đến ∆ p=const.

Trên đồ thị ta thấy piston chỉ bắt đầu chuyển động khi áp suất ở buồng trái xilanh:

p1≥ p2+ p ms (4-11)

+ Khi p1↑ ⟹ p3↑ ⟹ ∆ p=const ⟹ v=const.

+ Khi p3= p0, tức là cửa ra của van mở hết cỡ (tại A trên đồ thị), nếu tiếp tục ↑ F L ⟹ p1↑ mà p3 không tăng nữa ⟹ ∆ p = p3− p1(p3= p0) giảm (↓) ⟹ v ↓ và đến khi p1= p3= p0⟹ ∆ p=0 thì

v=0.

4.3.2 Bộ ổn tốc lắp trên đường ra của cơ cấu chấp hành

- Tại van giảm áp ta có:

p3 π D

2

Nên: ∆ p= p3−0=F lx 4

π D2=const (4-13)

Và: v2=Q2

A2=μ C A x

A2 .√4 F lx

π D2=const Giải thích: giả sử: F L ↑ ⟹ p2↓ ⟹ p3↓ ⟹ nhờ F lx làm piston van giảm áp dịch chuyển sang

phải ⟹ cửa ra mở rộng ⟹ van giảm áp duy trì p3 để ∆ p=const.

Trên đồ thị ta thấy:

Khi F L =0 ⟹ p2= p0− p ms ⟹ v=v0

Khi F L ↑ ⟹ p2↓ ⟹ van giảm áp suy trì p3 để ∆ p=const ⟹ v0=const (điểm A’).

Nếu tiếp tục ↑ F L ⟹ p2= p3 (tại A trên đồ thị), nếu tăng nữa ⟹ p2= p3↓=0 (tại điểm B trên đồ thị) ⟹ ∆ p=0⟹ v=0 (điểm B’)

4.3.3 Ổn định vận tốc khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết lưu ở đường vào (hình 4.6) Lưu lượng của bơm được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e Khi làm việc, stato của bơm có xu hướng di động sang trái do tác dụng của áp suất dầu ở buồng nén gây nên

Ta có phương trình cân bằng lực stato của bơm (bỏ qua ma sát):

(k là hệ số điều chỉnh bơm)

Nếu ta lấy hiệu tiết diện F1−F2=k ⟺ F1=F2+k thay vào (4-14) ta được:

F lx + p1.(F2+k)− p0 F2−k p0=0

F lx =F2.(p0− p1)+k (p0− p1)

F lx=(F2+k).(p0− p1)

∆ p= p0− p1= F lx

F2+k=

F lx

Lưu lượng qua van tiết lưu theo công thức:

Thay công thức 4-15 và 4-16 ta có:

Q =μ A x C √F lx

F1=μ A x C √∆ p (4-17)

Từ công thức (4-17) ta thấy, lưu lượng chảy qua van tiết lưu (tức là vận tốc cơ cấu chấp hành) không phụ thuộc vào tải trọng Khi tải trọng F L tăng, và áp suất p0 tăng, lượng dầu rò ở trong bơm tăng và lưu lượng chảy qua van tiết lưu giảm

Nhưng khi tải trọng tăng thì đồng thời áp suất p1 cũng tăng, piston của xilanh điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm về bên phải, làm tăng độ lệch tâm e và do đó tăng lưu lượng của bơm cho đến khi đạt được trị số đã điều chỉnh

4.3.4 Ổn định vận tốc khi điều chỉnh bẳng thể tích kết hợp với tiết lưu dùng bộ ổn tốc lắp ở đường ra (hình 4.7)

Hình 4.7 là sơ đồ nguyên lý tự động ổn định vận tốc của hệ thống điều chỉnh bẳng thể tích kết hợp với tiết lưu của bộ ổn tốc lắp ở đường ra Bơm được tự động điều chỉnh bằng xilanh điều chỉnh (1) và xilanh cản (2) (nhờ lực lò xo) để thay đổi độ lệch tâm e

Dưới tác dụng của áp suất p0, piston của xilanh điều chỉnh (1) có xu hướng đẩy stato (3) của bơm dầu về bên trái, làm giảm độ lệch tâm e Khi làm việc, xilanh điều chỉnh (1) và xilanh cản (2)

đảm bảo một áp suất không đổi p0 cho nguồn dầu cung cấp Lưu lượng của bơm được điều chỉnh tương ứng với vận tốc của piston (4) nhờ van tiết lưu trong bộ ổn tốc đặt ở đường ra Áp

suất p0 được điều chỉnh nhờ thay đổi lực căng ban đầu của lò xo của xilanh (2)

Khi F L =0, áp suất p1= p0 ở buồng trái của xilanh truyền lực cân bằng với áp suất p2 được tạo

nên nhờ van giảm áp của bộ ổn tốc Khi tải trọng F L tăng, áp suất p2 giảm xuống, p1= p0 tăng,

độ rò dầu trong bơm cũng tăng và khi đó xilanh điều chỉnh (1) sẽ làm việc để hiệu chỉnh lượng dầu rò này