Hệ thống thủy lực - Cơ sơ lý thuyết 1.1. Lịch sử phát triển và khả năng ứng dụng của HTTĐ thủy lực 1.2. Những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng thủy lực 1.1.1. Ưu đi
Chơng 3: phần tử hệ thống điều khiển thủy lực 3.1 khái niệm 3.1.1 Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển thủy lực đợc mô tả qua sơ đồ hình 3.1, gồm cụm phần tử chính, có chức sau: a Cơ cấu tạo lợng: bơm dầu, lọc ( ) b Phần tử nhận tín hiệu: loại nút ấn ( ) c Phần tử xử lý: van áp suất, van ®iỊu khiĨn tõ xa ( ) d PhÇn tư ®iỊu khiển: van đảo chiều ( ) e Cơ cấu chấp hành: xilanh, động dầu Cơ cấu chấp hành Phần tư nhËn tÝn hiƯu PhÇn tư xư lý PhÇn tư điều khiển Dòng lợng tác động lên quy trình Cơ cấu tạo lợng Năng lợng điều khiển Hình 3.1 Hệ thống điều khiển thủy lực 3.1.2 Sơ ®å cÊu tróc hƯ thèng ®iỊu b»ng thđy lùc CÊu trúc hệ thống điều khiển thủy lực đợc thể sơ đồ hình 3.2 1.0 Cơ cấu chấp hành m 1.1 Phần tử điều khiển Cơ cấu tạo lợng Dòng lợng A B P T 0.3 P 0.2 T 0.1 Hình 3.2 Cấu trúc thống điều khiĨn b»ng thđy lùc 41 3.2 van ¸p st 3.2.1 Nhiệm vụ Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức cố định tăng, giảm trị số ¸p hƯ thèng ®iỊu khiĨn b»ng thđy lùc 3.2.2 Phân loại Van áp suất gồm có loại sau: +/ Van tràn van an toàn +/ Van giảm áp +/ Van cản +/ Van đóng, mở cho bình trÝch chøa thđy lùc 3.2.2.1 Van trµn vµ an toµn Van tràn van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng hệ thống thủy lực vợt trị số quy định Van tràn làm việc thờng xuyên, van an toàn làm việc tải p1 Ký hiệu van tràn van an toàn: p2 Có nhiều loại: +/ Kiểu van bi (trụ, cầu) +/ Kiểu trợt (pittông) +/ Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp) a Kiểu van bi Vít đ/c x0 Lò xo (độ cứng C) x p2 Vít đ/c Lò xo (độ cứng C) p2 x0 x Bi trụ p1 Bi cầu p1 Hình 3.3 Kết cấu kiểu van bi Giải thích: áp suất p1 bơm dầu tạo nên vợt mức điều chỉnh, thắng lực lò xo, van mở cửa đa dầu bể Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều chỉnh phía Ta có: p1.A = C.(x + x0) (bá qua ma s¸t, lùc quán tính, p2 0) Trong đó: x0 - biến dạng lò xo tạo lực căng ban đầu; C - độ cứng lò xo; 42 F0 = C.x0 - lực căng ban đầu; x - biến dạng lò xo làm việc (khi có dầu tràn); p1 - áp st lµm viƯc cđa hƯ thèng; A - diƯn tÝch tác động bi Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nhng có nhợc điểm: không dùng đợc áp suất cao, làm việc ồn Khi lò xo hỏng, dầu chảy bể làm cho áp suất hệ thống giảm đột ngột b Kiểu van trợt Vít đ/c x x0 C Flx x p1 p2 Lỗ giảm chấn A Hình 3.4 Kết cấu kiểu van trợt Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn vào buồng Nếu nh lực áp suất dầu tạo nên F lớn lực điều chỉnh lò xo Flx trọng lợng G pittông, pittông dịch chuyển lên trên, dầu qua cửa bể Lỗ dùng để tháo dầu rò buồng Ta có: p1.A = Flx (bỏ qua ma sát trọng lợng pittông) Flx = C.x0 Khi p1 tăng F = p1 A > Flx pittông lên với dịch chuyển x p1 A = C.(x + x ) NghÜa lµ: p1 pittông lên đoạn x dầu cửa nhiều p1 để ổn định Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 phụ thuộc vào Flx lò xo Loại van có độ giảm chấn cao loai van bi, nên làm việc êm Nhợc điểm trờng hợp lu lợng lớn với áp suất cao, lò xo phải có kích thớc lớn, làm tăng kích thớc chung van c Van điều chỉnh hai cấp áp suất Trong van có lò xo: lò xo tác dụng trực tiếp lên bi cầu với vít điều chỉnh, ta điều chỉnh đợc áp suất cần thiết Lò xo có tác dụng lên bi trụ (con trợt), 43 loại lò xo yếu, có nhiệm vụ thắng lực ma sát bi trụ Tiết diện chảy rÃnh hình tam giác Lỗ tiết lu có đờng kính từ 0,8 ữ mm Vít đ/c Lò xo (độ cứng C1) p2 Van tràn Bi cầu A2 Lò xo (độ cứng C2) p3 Van an toàn Bi trụ (con trợt) (làm việc tải) p1 Lỗ tiết lu A3 Hình 3.5 Kết cấu van điều chỉnh hai cấp áp suất Dầu vào van có áp suất p1, phía dới phía trợt có áp suất dầu Khi áp suất dầu cha thắng đợc lực lò xo 1, áp suất p1 phía dới áp suất p2 phía trợt nhau, trợt đứng yên Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu mở ra, dầu qua trợt, lên van bi chảy bể Khi dầu chảy, sức cản lỗ tiết lu, nên p1 > p2, tức hiệu áp p = p1 - p2 đợc hình thành phía dới phía trợt (Lúc cửa đóng) A p1 > C x 02 vµ C x 03 > p1 A Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo lúc van hoạt động Loại van làm việc êm, chấn động áp suất điều chỉnh phạm vi rộng: từ ữ 63 bar cao 3.2.2.2 Van giảm áp Trong nhiều trờng hợp hệ thống thủy lực bơm dầu phải cung cấp lợng cho nhiều cấu chấp hành có áp suất khác Lúc ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn dùng van giảm áp đặt trớc cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến giá trị cần thiết Ký hiệu: p1 p2 44 Vít đ/c Flx L p1 P p2 A H×nh 3.6 KÕt cÊu cđa van giảm áp Ví dụ: mạch thủy lực có lắp van giảm áp Vít đ/c Flx p1 p2 A p1 p1 > p2 Hình 3.7 Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp Trong hệ thống này, xilanh làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cÊp cho xilanh ¸p suÊt p2 cã thể điều chỉnh đợc nhờ van giảm áp Ta có lực cân van giảm áp: p2.A = Flx (Flx = C.x) C.x ⇒ p2 = ⇒ A = const, x thay ®ỉi ⇒ p2 thay ®ỉi A 45 3.2.2.3 Van cản Van cản có nhiệm vụ tạo nên sức cản hệ thống hệ thống có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập Ký hiệu: Flx p1 p2 p2 p0 A Hình 3.8 Mạch thủy lực có lắp van cản Trên hình 3.8, van cản lắp vào cửa xilanh có áp suất p2 Nếu lực lò xo van Flx tiết diện pittông van A, lực cân tÜnh lµ: F p2.A - Flx =0 ⇒ p = lx (3.1) A Nh− vËy ta thÊy r»ng ¸p st ë cưa (tøc c¶n ë cưa ra) cã thể điều chỉnh đợc tùy thuộc vào điều chỉnh lực lò xo Flx 3.2.2.4 Rơle áp suất (áp lực) Rơle áp suất thờng dùng hệ thống thủy lực Nó đợc dùng nh cấu phòng tải, áp suất hệ thống vợt giới hạn định, rơle áp suất ngắt dòng điện Bơm dầu, van hay phận khác ngng hoạt động 3.3 van đảo chiều 3.3.1 Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở ống dẫn để khởi động cấu biến đổi lợng, dùng để đảo chiều chuyển động cấu chấp hành 3.3.2 Các khái niệm +/ Số cửa: số lỗ để dẫn dầu vào hay Số cửa van đảo chiều thờng 2, 4, Trong trờng hợp đặc biệt số cửa nhiều 46 +/ Số vị trí: số định vị trợt van Thông thờng van đảo chiều có vị trí Trong trờng hợp đặc biệt số vị trí nhiều 3.3.3 Nguyên lý làm việc a Van đảo chiều cửa, vÞ trÝ (2/2) A P L A P L Sè cửa A Số vị trí L P Hình 3.9 Van ®¶o chiỊu 2/2 b Van ®¶o chiỊu cưa, vÞ trÝ (3/2) A P A P T A T A b a P T A a a P T b b P T Hình 3.10 Van đảo chiều 3/2 47 c Van đảo chiều cửa, vị trí (4/2) B A P B T P A B A B A B P T a A a b T P T b P T Hình 3.11 Van đảo chiều 4/2 Ký hiƯu: P- cưa nèi b¬m; T- cưa nèi ống xả thùng dầu; A, B- cửa nối với cấu điều khiển hay cấu chấp hành; L- cửa nối ống dầu thừa thùng 3.3.4 Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều đợc biểu diễn hai phía, bên trái bên phải ký hiệu Có nhiều loại tín hiệu khác tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc nòng van đảo chiều a Loại tín hiệu tác động tay Ký hiệu nút ấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Hình 3.12 Các ký hiệu cho tín hiệu tác động tay b Loại tín hiệu tác động Đầu dò 48 Cữ chặn lăn, tác động hai chiều Cữ chặn lăn, tác động chiều Lò xo Nút ấn có rÃnh định vị Hình 3.13 Các ký hiệu cho tín hiệu tác động 3.3.5 Các loại mép điều khiển van đảo chiều Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, mép đóng mở cửa thân van nối với kênh dẫn dầu Van đảo chiều có mép điều khiển dơng (hình 3.14a), đợc sử dụng kết cấu đảm bảo rò dầu nhỏ, nòng van vị trí trung gian vị trí làm việc đó, đòng thời độ cứng vững kết cấu (độ nhạy phụ tải) cao Van đảo chiều có mép điều khiển âm (hình 3.14b), loại van có mát chất lỏng chảy qua khe thông thùng chứa, nòng van vị trí trung gian Loại van đợc sử dụng yêu cầu cao rò chất lỏng, nh độ cứng vững hệ Van đảo chiều có mép điều khiển không (hình 3.14c), đợc sử dụng phần lớn hệ thống điều khiển thủy lực có độ x¸c cao (vÝ dơ nh− ë van thđy lùc tun tính hay cấu servo Công nghệ chế tạo loại van tơng đối khó khăn a b c Hình 3.14 Các loại mép điều khiển van đảo chiều a Mép điều khiển dơng; b Mép điều khiển âm; c Mép điều khiển không 3.4 Các loại van ®iƯn thđy lùc øng dơng m¹ch ®iỊu khiĨn tù động 3.4.1 Phân loại 49 Có hai loại: +/ Van solenoid +/ Van tỷ lệ van servo 3.4.2 Công dơng a Van solenoid Dïng ®Ĩ ®ãng më (nh− van phân phối thông thờng), điều khiển nam châm điện Đợc dùng mạch điều khiển logic b Van tỷ lệ van servo Là phối hợp hai loại van phân phối van tiết lu (gọi van đóng, mở nối tiếp), điều khiển đợc vô cấp lu lợng qua van Đợc dùng mạch điều khiển tự động 3.4.3 Van solenoid Cấu tạo van solenoid gồm phận là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.15) gồm có thân van, trợt hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp (hình 3.16) gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp van thứ cấp điều khiển trợt dầu ép, nhờ tác động van sơ cấp Con trợt van hoạt động hai ba vị trí tùy theo tác động nam châm Có thể gọi van solenoid loại van điều khiển cã cÊp T AP B A B P T Hình 3.15 Kết cấu ký hiƯu cđa van solenoid ®iỊu khiĨn trùc tiÕp 1, Cuộn dây nam châm điện; 3, Vít hiệu chỉnh lõi sắt từ; 4, Lò xo 50 +/ Cánh chặn đàn hồi; +/ ống đàn hồi; +/ Miệng phun dầu Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng có hai cuộn dây cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên kết cấu cứng vững Định vị phần ứng cánh chặn dầu ống đàn hồi, ống có tác dụng phục hồi cụm phần ứng cánh chặn vị trí trung gian dòng điện vào hai cuộn dây cân Nối với cánh chặn dầu đàn hồi, nối trực tiếp với trợt Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch phần ứng bị hút lệch, đối xứng cực nam châm mà phần ứng quay Khi phần ứng quay, ống đàn hồi biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu thay đổi (phía hở phía hẹp lại) Điều dẫn đến áp suất hai phía trợt lệch trợt đợc di chuyển Nh vậy: +/ Khi dòng điện điều khiển hai cuộn dây phần ứng, cánh, trợt vị trí trung gian (áp suất hai buồng trợt cân nhau) +/ Khi dòng i1 i2 phần ứng quay theo chiều tùy thuộc vào dòng điện cuộn dây lớn Giả sử phần ứng quay ngợc chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu quay theo làm tiết diện chảy miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng khe hở miệng phun phía phải hẹp lại áp suất dầu vào hai buồng trợt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy trợt di chuyển bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đờng dẫn dầu qua van) Quá trình thể hình 3.19b Đồng thời trợt sang trái cong theo chiều di chuyển trợt làm cho cánh chặn dầu di chuyển theo Lúc khe hở miệng phun trái hẹp lại khe hở miệng phun phải rộng lên, khe hở hai miệng phun áp suất hai phía trợt vị trí cân Quá trình thể hình 3.19c Mômen quay phần ứng mômen lực đàn hồi cân b»ng L−ỵng di chun cđa tr−ỵt tû lƯ với dòng điện vào cuộn dây +/ Tơng tự nh phần ứng quay theo chiều ngợc lại trợt di chuyển theo chiều ngợc lại 53 a T A P b T A P c B T A P B Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động van servo a Sơ đồ giai đoạn van cha lam việc; b Sơ đồ giai đoạn đầu trình điều khiển; c Sơ đồ giai đoạn hai trình điều khiển b Kết cấu van servo Ngoài kết cấu thể hình 3.18 hình 3.19, van bố trí thêm lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thờng van Để trợt vị trí trung gian tín hiệu vào không, tức để phần ứng vị trí cân bằng, ngời ta đa vào kết cấu vít điều chỉnh 54 Các hình 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 lµ kÕt cÊu cđa mét số loại van servo đợc sử dụng a Nam châm ống phun dầu Càng đàn hồi Vít hiệu chỉnh trợt Thân van Lọc dầu b Cuộn dây ống phun Lõi nam châm ống đàn hồi Càng Càng đàn hồi Lọc dầu P Lỗ tiết lu c P T Hình 3.20 Bản vẽ thể kết cấu ký hiƯu cđa van servo a, b B¶n vÏ thĨ dạng kết cấu van servo; c Ký hiƯu cđa van servo 55 H×nh 3.21 KÕt cÊu cđa van servo cấp điều khiển Không gian trống; ống phun; Lõi sắt nam châm; ống đàn hồi; Càng điều khiển điện thủy lực; VÝt hiƯu chØnh; Th©n cđa èng phun; Thân nam châm; Không gian quay lõi sắt nam châm; 10 Cuộn dây nam châm; 11 Con trợt van chính; 12 Buồng dầu van chÝnh 56 H×nh 3.22 KÕt cÊu cđa van servo cấp điều khiển Cụm nam châm; ống phun; Càng đàn hồi phận điều khiển điện thđy lùc; Xylanh cđa van chÝnh; Con tr−ỵt van chính; Càng điều khiển điện-thủy lực; Thân ống phun Hình 3.23 Kết cấu van servo cấp điều khiển có cảm biến 57 Cơm nam ch©m; èng phun; Xylanh cđa van chính; Cuộn dây cảm biến; Lõi sắt từ cảm biến; Con trợt van chính; Càng điều khiển điện-thủy lực; ống phun; 9,10 Buồng dầu van Hình 3.24 Kết cấu van servo cấp điều khiển có cảm biến VÝt hiƯu chØnh; èng phun; Th©n van cÊp 2; Thân van cấp 3; cuộn cảm biến; Lõi sắt từ cảm biến; Con trợt van chính; Càng điều khiển điện-thủy lực; Thân ống phun; 10,14 Buồng dầu van cÊp 2; 11 Con tr−ỵt cđa van cÊp 2; 12 Lß xo cđa van cÊp 2; 13 Xylanh cđa van cÊp 3; 15,16 Bng dÇu cđa van cÊp 3.5 cấu chỉnh lu lợng Cơ cấu chỉnh lu lợng dùng để xác định lợng chất lỏng chảy qua đơn vị thời gian, nh điều chỉnh đợc vân tốc cấu chấp hành hệ thống thủy lực làm việc với bơm dầu có lu lợng cố định 3.5.1 Van tiết lu Van tiết lu dùng để điều chỉnh lu lợng dầu, điều chỉnh vận tốc cấu chấp hµnh hƯ thèng thđy lùc 58 Van tiÕt l−u đặt đờng dầu vào đờng cấu chấp hành Van tiết lu có hai loại: +/ Tiết lu cố định Ký hiệu: +/ Tiết lu thay đổi đợc lu lợng Ký hiệu: Ví dụ: hình 3.25 sơ đồ van tiết lu đợc lắp đờng hệ thống thủy lực Cách lắp đợc dùng phổ biến nhất, van tiết lu thay chức van cản, tạo nên áp suất định đờng xilanh làm cho chuyển động đợc êm A1 A2 Q1 p1 v Q2 p2 Ax Q2, p3 Hình 3.25 Sơ đồ thủy lực có lắp van tiết lu đờng dầu Ta có phơng trình: Q2 = A2.v : lu lợng qua van tiÕt l−u ∆p = p2 - p3 : hiƯu ¸p qua van tiết lu Lu lợng dầu Q2 qua khe hở đợc tính theo công thức Torricelli nh sau: Q = µ.A x 2.g ∆p [m3/s] ρ A2.v = à.Ax.c v= p (3.3) (c = à.A x c ∆p A2 2.g = const) ρ (3.4) Trong đó: - hệ số lu lợng; 59 .d Ax - diện tích mặt cắt khe hở: A = [m2]; ∆p = (p2 - p3)- ¸p st tr−íc vµ sau khe hë [N/m2]; ρ - khèi lợng riêng dầu [kg/m3] Khi Ax thay đổi p thay đổi v thay đổi p2 Q2 p3 p Hình 3.26 Độ chênh lệch áp suất lu lợng dòng chảy qua khe hở Dựa vào phơng thức điều chỉnh lu lợng, van tiết lu phân thành hai loại chính: van tiết lu điều chỉnh dọc trục van tiết lu điều chỉnh quanh trục a Van tiÕt l−u ®iỊu chØnh däc trơc Ax = 2π.rt.AB AB = h.sinα p2 D h Ax 2α α Ax A p1 Ax = π.D.h rt h sin α cos α p2 h ⇒ A ≈ π.h.r sin α x rt = r − B ( p1 r h sin α cos α : VCB bỏ qua) Hình 3.27 Tiết lu điều chỉnh däc trơc b Van tiÕt l−u ®iỊu chØnh quanh trơc p1 p2 Hình 3.28 Tiết lu điều chỉnh quanh trục 3.5.2 Bộ ổn tốc Bộ ổn tốc cấu đảm bảo hiệu áp không đổi giảm áp (p = const), đảm bảo lu lợng không đổi chảy qua van, tức làm cho vận tốc cấu chấp hành có giá trị gần nh không đổi Nh để ổn định vận tốc ta sư dơng bé ỉn tèc 60 ... Trong đó: x0 - biến dạng lò xo tạo lực căng ban đầu; C - độ cứng lò xo; 42 F0 = C.x0 - lực căng ban đầu; x - biến dạng lò xo làm việc (khi có dầu tràn); p1 - áp suất làm việc hệ thống; A - diện tích... chỉnh đợc tùy thuộc vào điều chỉnh lực lò xo Flx 3. 2.2.4 Rơle áp suất (áp lực) Rơle áp suất thờng dùng hệ thống thủy lực Nó đợc dùng nh cấu phòng tải, áp suất hệ thống vợt giới hạn định, rơle áp... x 2.g ∆p [m3/s] ρ hc A2.v = µ.Ax.c ⇒v= ∆p (3. 3) (c = µ.A x c p A2 2.g = const) (3. 4) Trong đó: - hƯ sè l−u l−ỵng; 59 π.d Ax - diện tích mặt cắt khe hở: A = [m2]; ∆p = (p2 - p3 )- ¸p st tr−íc