Chơng 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 lu lợng dầu chảy qua nó với hai phơng pháp sau: +/ Thay đổi sức cản trên đờng dẫn dầu bằng van tiết lu. Phơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng tiết lu. +/ Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh lu lợng của bơm cung cấp cho hệ thống thủy lực. Phơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnh bằng thể tích. Lựa chọn phơng 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, ngời ta dùng phơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đợc thực hiện bằng cách chỉ đa vào hệ thống dầu ép lu lợng 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 lợng do bơm dầu tạo nên đều biến thành công có ích. 4.1. Điều chỉnh bằng tiết lu Do kết cấu đơn giản nên loại điều chỉnh này đợc 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: p.c.A.Q x à= Khi A x thay đổi thay đổi p thay đổi Q v thay đổi. ở loại điều chỉnh này bơm dầu có lu lợng không đổi, và với việc thay đổi tiết diện chảy của van tiết lu, làm thay đổi hiệu áp của dầu, do đó thay đổi lu lợng dẫn đến cơ cấu chấp hành để đảm bảo một vận tốc nhất định. Lợng dầu thừa không thực hiện công có ích nào cả và nó đợc đa về bể dầu. Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết lu trong hệ thống, ta có hai loại điều chỉnh bằng tiết lu sau: +/ Điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng vào. +/ Điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng ra. 4.1.1. Điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng vào Hình 4.1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết lu ở đờng vào. Van tiết lu (0.4) đặt ở đờng vào của xilanh (1.0). Đờng ra của xilanh đợc dẫn về bể dầu qua van cản (0.5). Nhờ van tiết lu (0.4), ta có thể điều chỉnh hiệu áp giữa hai đầu van tiết lu, tức là điều chỉnh đợc lu lợng chảy qua van tiết lu vào xilanh (bằng cách thay đổi tiết diện chảy A x ), do đó làm thay đổi vận tốc của pittông. Lợng dầu thừa (Q T ) 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 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: p 0 là áp suất do bơm dầu tạo nên, đợc điều chỉnh bằng van tràn (0.2). Phơng trình lu lợng: Q 1 qua van tiết lu cũng là Q 1 qua xilanh (bỏ qua rò dầu) p.c.A.v.AQ x11 à== (4.1) Hiệu áp giữa hai đầu van tiết lu: p = p 0 - p 1 (4.2) Khi A x thay đổi p thay đổi Q 1 thay đổi v thay đổi Nếu nh tải trọng tác dụng lên pittông là F L và lực ma sát giữa pittông và xilanh là F ms , thì phơng trình cân bằng lực của pittông là: p 1 .A 1 - p 2 .A 2 - F L - F ms = 0 p 1 = 1 msL 1 2 2 A FF A A .p + + (4.3) Ta thấy: khi F L thay đổi p 1 thay đổi p thay đổi Q 1 thay đổi v không ổn định. 0.1 1.0 1.1 0.2 0.3 p 0 P T A B Q 0 Q T 0.5 0.4 Q 2 Q 1 A x p 2 p 1 F L v A 2 A 1 Hình 4.1. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng vào 4.1.2. Điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng ra 0.2 0.1 1.0 1.1 0.3 p 0 P T A B 0.4 A x Q 1 Q 2 Q T Q 0 p 3 0 p 1 p 2 F L v A 2 A 1 H ình 4.2. Sơ đồ mạch thủy lực điều chỉnh bằng tiết lu ở đờng ra 69 Hình 4.2 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết lu ở đờng ra. Van tiết lu đảm nhiệm luôn chức năng của van cản là tạo nên một áp suất nhất định ở đờng ra của xilanh. Trong trờng hợp này, áp suất ở buồng trái xilanh bằng áp suất của bơm, tức là p 1 =p 0 . 2 x22 pc.A.A.vQ à== (4.4) Vì cửa van của tiết lu nối liền với bể dầu, nên hiệu áp của van tiết lu: p = p 2 - p 3 = p 2 Khi A x thay đổi p 2 thay đổi Q 2 thay đổi v thay đổi. Phơng trình cân bằng tĩnh là: p 0 .A 1 - p 2 .A 2 - F L - F ms = 0 (4.5) p = p 2 = 2 msL 2 1 0 A FF A A .p + (4.6) Ta cũng thấy: F L thay đổi p 2 thay đổi Q 2 thay đổi v không ổn định. Nhận xét: Cả hai điều chỉnh bằng tiết lu có u điểm chính là kết cấu đơn giản, nhng cả hai cũng có nhợc điểm là không đảm bảo vận tốc của cơ cấu chấp hành ở một giá trị nhất định, khi tải trọng thay đổi. Thờng ngời ta dùng điều chỉnh bằng tiết lu 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. Nhợc điểm khác của hệ thống điều chỉnh bằng tiết lu là một phần dầu thừa qua van tràn biến thành nhiệt, nhiệt lợng ấy làm giảm độ nhớt của dầu, có khả năng làm tăng lợng dầu rò, ảnh hởng 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 lu thờng dùng trong những hệ thống thủy lực có công suất nhỏ, thờng 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, ngời ta dùng phơng pháp điều chỉnh vận tốc bằng thể tích. Loại điều chỉnh này đợc thực hiện bằng cách chỉ đa vào hệ thống thủy lực lu lợng dầu cần thiết để đảm bảo một vận tốc nhất định. Lu lợng dầu có thể thay đổi với việc dùng bơm dầu pittông hoặc cánh gạt điều chỉnh lu lợng. 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 lu lợng của bơm. Vì thế, loại điều chỉnh này đợc 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 đợc dùng rộng rãi trong 70 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 phơng pháp điều chỉnh bằng thể tích là đảm bảo hiệu suất truyền động cao, dầu ít bị làm nóng, nhng bơm dầu điều chỉnh lu lợng có kết cấu phức tạp, chế tạo đắt hơn là bơm dầu có lu lợng không đổi. e A 1 Q 1 Q b = Q 1 F L v Hình 4.3. Sơ đồ thủy lực điều chỉnh bằng thể tích Ta có: Q 1 = Q b = q b .n (l/p) (Q 1 = v.A 1 ) Muốn thay đổi Q b = Q 1 ta thay đổi q b v thay đổi Trên hình 4.3 ta thấy: Thay đổi độ lệch tâm e q b sẽ thay đổi Q b = Q 1 thay đổi v thay đổi. Nhận xét: Toàn bộ lu lợng 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 đợc, vì nó không khắc phục đợc 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 không thích hợp, ). Do đó, muốn cho vận tốc đợc ổn định, duy trì đợc 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 hởng của các nguyên nhân làm mất ổn định vận tốc. Ta xét một số phơng pháp thờng dùng để ổn định vận tốc của cơ cấu chấp hành. Để giảm ảnh hởng thay đổi tải trọng, phơng 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 lu, hay ở hệ thống điều chỉnh bằng thể tích và nó có thể ở đờng vào hoặc đờng ra của cơ cấu chấp hành. (Nh ta đã biết lắp ở đờng ra đợc dùng rộng rãi hơn). 4.3.1. Bộ ổn tốc lắp trên đờng vào của cơ cấu chấp hành D Q 1 Q 2 p 0 p 3 p 2 p 1 A 1 A 2 F L F lx v 0 F L F L B A B p 0 A p 3 p 1 L( p 2 + p ms ) v p p v Hình 4.4. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đờng vào Giả sử khi F L = 0 ta có: A 1 .p 1 - A 2 .p 2 - F ms = 0 ) A F P,AA( A F pp 1 ms ms21 1 ms 21 ==+= Tại van giảm áp ta có: 0F 4 D. .p 4 D. .p lx 2 1 2 3 = (4.7) 2 lx13 D. 4 .Fppp == hiệu áp qua van tiết lu (=const) (4.8) p. A A c A Q v 1 x 1 à == = const (4.9) 72 Giải thích: giả sử F L p 1 pittông van giảm áp sang trái cửa ra của van giảm áp mở rộng p 3 để dẫn đến p = const. Trên đồ thị: p 1 p 2 + p ms (4.10) +/ Khi p 1 p 3 p = const v = const. +/ Khi p 3 = p 0 , tức là cửa ra của van mở hết cở (tại A trên đồ thị), nếu tiếp tục F L p 1 mà p 3 = p 1 không tăng nữa p = p 3 - p 1 (p 3 = p 0 ) v và đến khi p 1 = p 3 = p 0 p = 0 v = 0. 4.3.2. Bộ ổn tốc lắp trên đờng ra của cơ cấu chấp hành p 0 F lx p 2 B p 3 A p 3 D Q 2 Q 1 p 4 0 Q 2 p 2 p 1 = p 0 v v 0 F L F L B A p 0 = p 1 P ms p A 1 A 2 F L v Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đờng ra +/ Tại van giảm áp ta có: 0F 4 D. .p lx 2 3 = (4.11) const D. 4 .F0pp 2 lx3 = == . (4.12) 2 lx 2 x 2 2 2 D. F.4 . A A.c. A Q v à == = const +/ Giả sử: F L p 2 p 3 pittông van giảm áp sang phải cửa ra mở rộng p 3 để p = const. Trên đồ thị: Khi F L = 0 p 2 = p 0 - p ms v = v 0 . Khi F L p 2 van giảm áp duy trì p 3 để p = const v 0 = const. Nếu tiếp tục F L p 2 = p 3 (tại A trên đồ thị), nếu tăng nữa p 2 = p 3 = 0 tại B 73 p = 0 v = 0. 4.3.3. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết lu ở đờng vào Lu lợng của bơm đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e. Khi làm việc, stato của bơm có xu hớng di động sang trái do tác dụng của áp suất dầu ở buồng nén gây nên. p 1 p 2 p 0 e Stato (vòn g trợt) Rôto Buồn g hút Buồn g nén F lx Pittôn g điều chỉnh F 2 F 1 A 2 v F L A 1 Hình 4.6. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng thể tích kết hợp với tiết lu ở đờng vào Ta có phơng trình cân bằng lực của stato (bỏ qua ma sát): F lx + p 1 .F 1 - p 0 .F 2 - k.p 0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm) (4.13) Nếu ta lấy hiệu tiết diện F 1 - F 2 = k F 1 = F 2 + k (4.13) F lx + p 1 .(F 2 + k) - p 0 .F 2 - k.p 0 = 0 F lx = F 2 .(p 0 - p 1 ) + k.(p 0 - p 1 ) F lx = (F 2 + k).(p 0 - p 1 ) p 0 - p 1 = 1 lx 2 lx F F kF F = + (4.14) 74 Ta có lu lợng qua van tiết lu: p.c.A.Q x à= (4.15) 10 ppp = = 1 lx 2 lx F F kF F = + (4.16) p.c.A. F F .c.A.Q x 1 lx x à=à= (4.17) Từ công thức (4.17) ta thấy: Lu lợng Q không phụ thuộc vào tải trọng (đặc trng bằng p 1 , p 0 ). Giả sử: F L p 1 pittông điều chỉnh sẽ đẩy stato của bơm sang phải e p 0 p = p 0 - p 1 = const. 75 . - p 1 ) F lx = (F 2 + k).(p 0 - p 1 ) p 0 - p 1 = 1 lx 2 lx F F kF F = + (4 . 14 ) 74 Ta có lu lợng qua van tiết lu: p.c.A.Q x à= (4 .15 ) 10 ppp = = 1 lx 2 lx F F kF F = + (4 .16 ). p 0 .F 2 - k.p 0 = 0 (k: hệ số điều chỉnh bơm) (4 .13 ) Nếu ta lấy hiệu tiết diện F 1 - F 2 = k F 1 = F 2 + k (4 .13 ) F lx + p 1 .(F 2 + k) - p 0 .F 2 - k.p 0 = 0 F lx = F 2 .(p 0 - p 1 ). 4. 4. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp bộ ổn tốc trên đờng vào Giả sử khi F L = 0 ta có: A 1 .p 1 - A 2 .p 2 - F ms = 0 ) A F P,AA( A F pp 1 ms ms 21 1 ms 21 ==+= Tại van giảm áp ta có: 0F 4 D. .p 4 D. .p lx 2 1 2 3 =