Điều khiển hệ thống thủy lực bằng van tiết lưu

Trong thực tế khi thiết kế các mạch thủy lực có trường hợp đòi hỏi điều khiển vận tốc của cơ cấu chấp hành. Có 2 phương pháp điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành đó là: Điều khiển bằng van tiết lưu và điều khiển bằng máy thủy lực (máy bơm, motor thủy lực) có lưu lượng thay đổi. Trong bài này mình sẽ giới thiệu về điều khiển bằng van tiết lưu. Như các bạn đã biết van tiết lưu có 2 loại: van tiết lưu cố định và van tiết lưu thay đổi. Để đạt được mục đích chúng ta phải sử dụng van tiết lưu thay đổi. Điều khiển bằng van tiết lưu có các dạng sau: 1. Mắc van tiết lưu nối tiếp với động cơ thủy lực Nối tiếp trước (cửa vào) Nối tiếp sau (cửa ra) Đồng thời nối tiếp trước và sau 2. Mắc van tiết lưu song song với động cơ thủy lực Admin Blog Thủy Lực

Đi u khi n b ng van ti t l u ều khiển bằng van tiết lưu ển bằng van tiết lưu ằng van tiết lưu ết lưu ưu

Trong thực tế khi thiết kế các mạch thủy lực có trường hợp đòi hỏi điều khiển vận tốc của cơ cấu chấp hành Có 2 phương pháp điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành đó là: Điều khiển bằng van tiết lưu và điều khiển bằng máy thủy lực (máy bơm, motor thủy lực) có lưu lượng thay đổi Trong bài này mình sẽ giới thiệu

về điều khiển bằng van tiết lưu Như các bạn đã biết van tiết lưu có 2 loại: van tiết lưu cố định và van tiết lưu thay đổi Để đạt được mục đích chúng ta phải sử dụng van tiết lưu thay đổi

Điều khiển bằng van tiết lưu có các dạng sau:

1 Mắc van tiết lưu nối tiếp với động cơ thủy lực

- Nối tiếp trước (cửa vào)

- Nối tiếp sau (cửa ra)

- Đồng thời nối tiếp trước và sau

2 Mắc van tiết lưu song song với động cơ thủy lực

Chúng ta lần lượt đi nghiên cứu từng trường hợp:

I Mắc nối tiếp

A Mắc nối tiếp trước

Các thiết bị thủy lực được lắp đặt như hình 1.b

Hình 1.a, 1.b Mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu

Quan sát nhanh trên mạch thủy lực Với tác dụng của van tràn, đảm bảo cho tại cửa

ra của bơm một áp suất pb = const

Nhắc lại biểu thức quan hệ giữa lưu lượng và tiết diện cùng độ chênh áp đối với

Mô tả quá trình:

Khi tiết diện van tiết lưu S van =0 thì lưu lượng chất lỏng qua van Q van = 0 Như vậy

tất cả chất lỏng từ máy bơm đi ra theo van tràn trở về thùng chứa

Khi tiết diện van tiết lưu cực đại S van = S max tương ứng lưu lượng chất lỏng qua van

là cực đại Q = Q max dẫn tới tốc độ của động cơ thủy lực (xilanh hoặc motor) là cực đại

Mô tả phản ứng

Khi lực sinh ra tại cán xilanh F tăng lên → Chênh lệch áp suất trong 2 khoang

xilanh (∆p van =p 1 – p 2 ) tăng lên Mà p 2 = p xả = p atm = const → Áp suất p1 tăng lên ,

mà p b = const → Chênh lệch áp suất giữa 2 đầu van tiết lưu ∆p van giảm xuống →

Từ biểu thức (1) suy ra lưu lượng Q van giảm xuống, tức là lưu lượng đổ vào xilanh

cũng giảm xuống vì Q van = Q xilanh → Vận tốc di chuyển piston v giảm

Như vậy khi tăng tải trọng dẫn tới giảm tốc độ của cơ cấu

Đặc tính tĩnh hệ thống

Là quan hệ giải tích hoặc hình học của một thông số của hệ theo một thông số khác

ở một chế độ làm việc của hệ thống (Từ “tĩnh” ở đây biểu hiện là ở 1 chế độ làm việc của hệ thống )

1 Đặc tính tải

V = f (F) khi S van = const

2 Đặc tính điều khiển

V = f ( S van ) khi F = const

3 Đặc tính biến đổi

N = f ( điều kiện công tác ) hay η = f ( điều kiện công tác )

Các đặc tính tĩnh có thể thu được khi giải hệ phương trình sau :

1 Phương trình dòng liên tục: Q van = Q xilanh

2 Phương trình van tiết lưu: Q van = ….(xem biểu thức (1))

3 Phương trình cân bằng của xilanh ( động cơ thủy lực) (p 1 – p 2 ) S x = F ;

S x – tiết diện công tác của xilanh

Biểu thức vận tốc piston:

2

van





Đây là biểu thức để xây dựng các đặc tính tĩnh

Đặc tính tải mô tả bằng đồ thị dưới:

Đặc tính điều khiển mô tả bằng đồ thị dưới:

(Lưu ý: trên các đồ thị kí hiệu v - chỉ vận tốc, S - chỉ tiết diện, F - chỉ tải trọng

Các tính chất đặc biệt của đặc tính tĩnh

1 Không thể điều khiển khi tải trọng âm ( khi kéo tải trọng âm , khi ấm tải trọng dương)

2 Van tiết lưu làm nóng chất lỏng làm việc trước khi đổ vào động cơ

B Mắc nối tiếp sau

( Lưu ý chỉ xét cục bộ trong trường hợp này – với xilanh có cán 2 hướng – tiết diện piston 2 hướng như nhau)

Ta có quan hệ

Q1 = Q2 = Qvan

2

van

van

x

S

S







(p 1 – p 2 ) S x = F;

Ta vẫn thu được biểu thức

2

van





Nhận xét:

1 Có thể làm việc với tải trọng biến đổi dấu Nghĩa là với chiều tác động của ngoại lực bất kỳ đều dẫn tới sự thay đổi vận tốc động cơ Để bảo vệ hệ thống trong trường hợp xuất hiện chênh lệch áp suất qua van lớn cần lắp thêm van an toàn song song với van tiết lưu

2 Chất lỏng bị làm nóng được đổ thẳng vào thùng chứa

3 Động cơ làm việc với áp suất cực đại pb

Biểu thức giống với phần 1.A nên các đồ thị đặc tính tải và đặc tính điều khiển tương tượng như phần 1.A

C Kết hợp cả nối tiếp trước và sau động cơ.

Từ 2 trường hợp trên biểu thức vận tốc của động cơ sẽ là :

1

van





* Ưu điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc nối tiếp:

1 Cấu trúc máy bơm và động cơ đơn giản

2 Điều khiển vận tốc liên tục và êm

3 Có thể tạo ra mạch thủy lực với nhiều động cơ mà chỉ có 1 máy bơm

4 Điều khiển van tiết lưu dễ dàng

5 Điều khiển với độ nhạy cao khi tải trọng nhỏ

6 Khởi động nhanh, độ tin cậy cao

*Nhược điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc nối tiếp:

1 Hiệu suất thấp η < 0,385.

2 Đặc tính tải trọng không …

3 Điều khiển với độ nhạy thấp khi tải trọng lớn

4 Sơ đồ làm việc có dạng tuần hoàn mở

Được sử dụng với các hệ thống có công suất 3-5 kW/

II Mắc song song

Khi mắc van tiết lưu song song với động cơ, sẽ làm dòng đổ vào động cơ phân thành 2 dòng, 1 dòng vào động cơ , còn 1 dòng đi qua van tiết lưu

Dựa vào van tràn ta thiết lập được áp suất tại cửa ra của bơm Vậy coi p b là 1 giá trị xác định, và coi như không đổi khi xét ảnh hưởng của van tiết lưu tới hệ thống

1 Khi tiết diện van S van = 0 và tải trọng không đổi F=const , tức là van đóng hoàn

toàn → Lưu lượng qua van Q van = 0 Mà lưu lượng máy bơm bằng tổng lưu lượng

qua van và động cơ Q b = Q van + Q đc → Q b = Q đc → Vận tốc động cơ V=V max

2 Khi S van = S max và F=const → Q van = Q van.max → Q đc = Q đc.min → V=V min

3 Ứng với một giấ trị tiết diện van nhất định S van = idem Khi tải trọng F tăng, áp

suất p 1 của động cơ tăng → Độ chênh áp giữa 2 đầu van ∆p van tăng → Lưu lượng

qua van Q van tăng → Lưu lượng vào động cơ Q đc giảm → Vận tốc động cơ giảm

Đồ thị đặc tính tải có dạng:

Đồ thị đặc tính điều khiển có dạng:

Nghiên cứu đặc tính tĩnh

1 Phương trình liên tục

Q b = Q van + Q đc ;

2 Phương trình qua van

2



;

3 Phương trình cân bằng với tải trọng

F = p đc S x ; S x – tiết diện công tác của xilanh;

Khi mắc van tiết lưu song song ta có :

p b = p đc = ∆p van (Các giá trị áp suất tại đây là áp suất dư, khi cửa xả có áp

suất p xa = p atm )

Vận tốc xilanh :

;

V



 

;

x

* Ưu điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc song song:

1 Hiệu suất hệ thống cao hơn so với mắc song song (Khi S van = 0, hiệu suất gần

như bằng 1)

2 Đặc trưng điều khiển là đặc trưng tuyến tính

*Nhược điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc song song:

1 Đặc tính tải trọng có độ cứng thấp

2 Điều khiển với độ nhạy thấp khi tải trọng nhỏ, và độ nhạy cao khi tải trọng lớn

3 Không có khả năng làm việc khi tải trọng thay đổi chiều

*Ứng dụng:

Ứng dụng với mạch thủy lực có tải trọng thay đổi nhỏ

III Hiệu suất của mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu

Hiệu suất của hệ thống thủy lực được xác định thông qua các hao phí công suất tại máy bơm, tại động cơ và hao phí cung cấp cho quá trình điều khiển

η=η b ∙ηη đc ∙ηη đk ;

Với mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu, hao phí cơ bản liên quan tới quá trình điều khiển van tiết lưu

Ta coi: ηb ≈ 1; ηđc ≈ 1;

Khi đó:

;

dc dc

p Q



max

;

dc x

dc





;

dc



 Suy ra :  dk p dcQ dc   - Đây là công thức tổng quát cho các trường hợp.F V

1 Trường hợp mắc van tiết lưu song song

1

; 1

van

van

p

V

V

p













van

b x

F

p S

Mà pb∙Sx = Fmax;

max

F

Đi xác định hiệu suất điều khiển cực đại

Hiệu suất điều khiển cực đại khi S van 1 ;

Khi đó :

2

    

Tìm cực trị của hàm ηđk :

2

dk

d

dV



Khi đó F  1 1 / 3 2 / 3 và dk.max  1 1 / 3 / 3 0,385 

Phân tích trên chỉ ra rằng thậm chí khi hiệu suất máy bơm và động cơ là 1, thì hiệu suất của hệ thống thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu cũng không vượt quá 0,385 Như vậy cho dù hệ thống là việc ở chế độ tối ưu thì cũng chỉ có 58% lưu lượng máy bơm đổ vào động cơ, lượng còn lại thông qua van tràn đổ về thùng chứa, và cũng chỉ 2/3 áp suất của máy bơm được sử dụng cho động cơ, lượng áp suất còn lại thất thoát tại van tiết lưu

2 Với mạch mắc song song

Ta vẫn có  dk p dc Q dc  F V

Khi mắc song song thì

p b = p đc = ∆p van khi p xa = 0 ;

1,0

dc

p F 

1

  

2 1



Hiệu suất mạch mắc van song song phụ thuộc vào độ mở của van