c) Van phân phố
2.4.1.3. Các loại van
Van là phần tử phổ biến truyền động thủy lực. Nhờ phối hợp hợp lý các loại van trong hệ thống truyền động thuỷ lực, chúng ta có thể tạo nên được chế độ làm việc ổn định của truyền động theo ý muốn.
Căn cứ vào chức năng của các van, có thể chia chúng thành ba nhóm: một chiều, an toàn và giảm áp.
* Van một chiều
Van một chiều được dùng để giữ cho chất lỏng chỉ chảy theo một chiều. Ngoài vỏ van, van một chiều loại nắp van: loại bi cầu (hình 2-19a), loại hình nón (côn) (hình 2- 19b), loại piston (hình 2-20). Kí hiệu chung của van một chiều như hình 2-19c.
Khi mở, van một chiều phải có sức cản cản nhỏ nhất để chất lượng lỏng chảy qua dễ dàng (ít tổn thất năng lượng). Vì vậy lực lò xo của van phải thật nhỏ, chỉ cần đủ để ép sát nắp van vào đế van và thẳng được sức cản ma sát giữa piston và vỏ (nếu là van kiểu piston). Nếu chất lỏng có xu hướng chảy ngược lại, áp lực của chính chất lỏng đó sẽ ép chặt nắp van vào đế van ngăn không cho chất lỏng chảy ngược lại.
Hình 2-20. Van một chiều loại piston
Trên hình 2-20 là sơ đồ van một chiều piston. Nó gồm vỏ 1, nắp vỏ 2, piston cò dầu côn 3, lò xo 4 và đế 5. Chất lỏng có thể chảy dễ dàng từ cửa a sang cửa b. Khi có sự đổi chiều chảy, dưới áp lực của chất lỏng, piston 3 sẽ bị ép chặt vào đế 5. Áp lực đó tác dụng lên toàn mặt cắt ngang của piston, bởi vì chất lỏng có thể chảy qua lỗ 6 vào ruột piston 3. Cùng với ứng lực lò xo, áp suất chất lỏng càng cao, piston càng ép chặt vào đế ngăn không cho chất lỏng chảy ngược lại.
Các van một chiều loại bi và côn có kết cấu đơn giản, ít sức cản nhưng khó đóng khít (vì khi đóng không có thành dẫn hướng nên dễ lệch tâm) gây nên rò rỉ chất lỏng. Van một chiều loại piston đóng khít hơn vì khi đóng có thành xilanh dẫn hướng. Nhưng vì có ma sát giữa piston và xilanh nên ứng lực lò xo giữ piston của van một chiều piston phải lớn hơn ứng lực lò xo của van bi và côn, do đó gây tổn thất thủy lực nhiều hơn. Vì vậy chúng ta nên dùng loại van một chiều piston khi cần thoát một lưu lượng lớn và áp suất làm việc cao…
* Van an toàn
Van an toàn được dùng để bảo đảm cho hệ thống được an toàn khi có quá tải. Nó được đặt trên đường ống chính có áp suất cao.
Nguyên lý hoạt động của nhóm van này dựa vào sự cân bằng lực tác dụng trên nắp van giữa áp lực chất lỏng trong hệ thống với ứng lực lò xo của van, có khi cả đối áp của chất lỏng (trong khoang có lò xo). Nếu áp lực chất lỏng nhỏ hơn ứng lực lò xo (khi hệ
thống làm việc bình thường) thì van đóng lại. Nếu áp lực chất lỏng vượt quá ứng lực của lò xo (khi hệ thống có quá tải), van sẽ mở ra cho chất lỏng được tháo bớt về thùng chứa.
Khác với van một chiều, van an toàn có lò xo cứng hơn nhiều. Ứng lực lò xo của van an toàn được điều chỉnh phù hợp với áp suất làm việc phép trong hệ thống bằng vít điều chỉnh. Nếu van an toàn chỉ làm việc một cách gián đoạn thì đó là van chống đỡ. Còn khi nó làm việc liên tục (luôn luôn có chất lỏng thoát qua van) thì đó là van tràn. Cùng một van nhưng tuỳ theo sự phối hợp của nó trong hệ thống mà nó có thể làm việc như một van tràn hay van chống dỡ.
Căn cứ vào nguyên lý hoạt động có thể chia nhóm van an toàn ra hai loại:
- Van tác dụng trực tiếp trong đó kích thước hình học của cửa lưu thông và số của lưu thông được thay đổi chỉ do tác dụng của chất lỏng làm việc.
- Van tác dụng gián tiếp, trong đó các kích thước hình học của cửa lưu thông và số cửa lưu thông được thay đổi không chỉ do tác dụng của dòng chất lỏng qua đó mà còn do tác dụng của cơ cấu phụ. Người ta còn gọi loại van này là van an toàn có tác dụng tuỳ động.
+ Loại van an toàn trực tiếp có thể là van bi, van nón (côn) hay van piston.
Đơn giản nhất là loại van bi, nhưng phạm vi sử dụng van này bị hạn chế. Nhược điểm của nó là khó đóng kín, đồng thời khi đóng, nắp van va đập tuần hoàn vào đế van, gây mạch động và áp suất trong hệ thống. Người ta chỉ dùng nó trong các hệ thống thuỷ lực có áp suất, và lưu lượng nhỏ, ít bị quá tải.
Đối với loại van nón, để đảm bảo đóng khít, khi đóng nắp van và đế van phải đồng trục. Nếu không thực hiện sự đồng trục như vậy van nón sẽ mất khả năng đóng kín rất nhanh. Cũng như đối với van bi, khi đóng nắp van nón cũng gây va đập vào đế van.
Trong hệ thống thuỷ lực làm việc với lưu lượng lớn cần phải dùng van piston. Tuy nhiên trong trường hợp áp suất cho phép của hệ thống cao, các loại van trên phải có lò xo thật cứng và kích thước lớn. Để giảm độ cứng và kích thước lò xo, người ta làm van piston có tác dụng vi sai. Mặt khác để giảm chấn động, người ta tạo đệm giảm chấn trong van.
Trên hình 2-21 là một kiểu van bi sai có đệm giảm chấn. Van này gồm: vỏ 1, piston bậc 2 có lỗ giảm chấn 3, lò xo 4, vít điều chỉnh ứng lực lò xo 5, đệm chất lỏng giảm chấn 6. Khi quá tải, chất lỏng thoát từ hệ thống qua cửa a sang cửa b của van rồi ra ngoài. Do kết cấu trên, lò xo không chịu toàn bộ áp lực của chất lỏng lên piston vì được áp lực trên mặt f1 (đối diện với f2) của piston đỡ bớt. Khi đó ứng lực của lò xo chỉ là:
Plx = p(f2 – f1) trong đó :
p - Áp suất trong hệ thống;
f1,f2 - Diện tích hai mặt đối diện nhau của piston trong buồng có áp suất p.
Khi đóng, piston di chuyển sang trái, chất lỏng từ buồng 6 chảy qua lỗ 3 sang buồng có lò xo. Vì có lỗ giảm chấn 3 nên áp suất trong buồng 6 sẽ cao hơn nhiều so với buồng có lò xo. Chất lỏng trong buồng 6 sẽ có tác dụng như một cái đệm hãm bớt chuyển động của piston, tránh va đập mạnh vào vỏ.
Hình 2-21. Van bi sai có đệm giảm chấn
Nhận xét chung về các loại van tác dụng trực tiếp chúng ta thấy mặc dù có những biện pháp giảm chấn động nhưng van làm việc vẫn không được ổn định lắm. Mặt khác đường kính của van trực tiếp bị hạn chế, vì nếu quá lớn kích thước lò xo sẽ tăng lên nhiều. Vì vậy trong hệ thống có áp suất cao, để giảm ứng lực của lò xo và tăng tính ổn định của áp suất trong hệ thống người ta dùng van an toàn có tác dụng tuỳ động (loại van tác dụng gián tiếp).
+ Van an toàn có tác dụng tùy động
Chúng ta khảo sát nguyên lý hoạt động của một van an toàn loại này (hình 2-22). Van đó gồm: vỏ 1; piston 2, lò xo yếu 3, van bi tuỳ động 4; lò xo của van bi 5 và nắp 6. Chất lỏng làm việc từ bơm được dẫn vào buồng a và bị đẩy và thùng chứa qua buồng b. Dưới tác dụng của lò xo yếu 3, piston 2 bị ép xuống dưới. Trong lỗ thông 9 ở giữa piston có lỗ giảm chấn 8 (có đường kính nhỏ), nhờ đó buồng a luôn luôn thông với buồng c. Ngoài ra buồng a cũng luôn thông với buồng e. Lò xo 5 có tác dụng ép viên bi 4 vào đế van, ứng lực của nó có thể điều chỉnh được nhờ vít 7.
Hình 2-22. Van an toàn có tác dụng tùy động
Khi van bi 4 chưa mở ra (van an toàn chưa làm việc) tức là khi áp lực chất lỏng tác dụng lên viên bi 4 chưa trượt quá trị số ứng lực giới hạn của lò xo 5 thì buồng a thông với buồng c, d, e nhưng không thông với buồng b. Chất lỏng trong các buồng đều ở trạng thái tĩnh, vì vậy áp suất trong các buồng a, c, e, d coi như bằng nhau. Khi đó piston 2 ở vị trí thấp nhất dưới tác dụng của ứng lực của lò xo 3 (bởi vì áp lực chất lỏng tác dụng lên piston về phía buồng c cân bằng với áp lực về phía buồng d và e). Khi hệ thống bị quá tải, áp suất trong các buồng a, c, d, e đồng thời tăng lên đột ngột (theo định luật Pascan).
Lúc này áp lực của chất lỏng lên viên bi 4 vượt quá ứng lực lò xo 5, viên bi 4 bị đẩy lên trên và một ít chất lỏng từ buồng c được đẩy ra ngoài về thùng chứa. Điều đó là cho chất lỏng chảy từ buồng a qua buồng d lên buồng c. Khi đó nhờ lỗ giảm chấn 8 gây tổn thất áp suất của dòng chảy, tạo nên sự chênh áp giữa buồng d, e và c. Như vậy trạng thái cân bằng lực tác dụng lên piston trước kia bị mất đi. Dưới tác dụng của áp lực cao trong buồng d và e, piston bị nâng lên trên cho đến khi lập lại sự cân bằng của áp lực chất lỏng và ứng lực lò xo 3 lên nó thì dừng lại. Kết quả là buồng a được thông với buồng b và qua đó chất lỏng trong hệ thống được đẩy bớt về thùng chứa, giảm tải cho hệ thống. Nếu áp suất trong hệ thống (trong buồng a) tăng nữa thì dòng chảy từ buồng d, e
lên c qua van bi về thùng càng mạnh, tổn thất áp suất tại lỗ 8 càng lớn, độ chênh áp trên piston càng tăng. Kết quả là piston 2 tiếp tục được nâng lên, cửa lưu thông giữa buồng a và b mở rộng thêm, chất lỏng càng thoát nhiều về thùng.
Thực tế người ta thường cho van làm việc như một van tràn bằng cách điều chỉnh ứng lực lò xo 5 sao cho van bi 4 luôn mở ra tức là luôn có chất lỏng thoát từ hệ thống về thùng qua van bi và qua cửa lưu thông giữa buồng a và b. Như vậy, nhờ hoạt động của van, áp suất trong hệ thống luôn luôn được giữ ở một trị số không đổi.
Qua trên chúng ta thấy:
- Van an toàn có tác dụng tùy động không những bảo vệ cho hệ thống khỏi bị quá tải mà còn ổn định được áp suất làm việc trong hệ thống, không gây va đập trong van.
- Áp suất ở cửa vào của van có tác dụng điều khiển hoạt động của van.
- Rõ ràng đây là loại van tác dụng gián tiếp: van bi 4 đóng vai trò cơ cấu phụ gây tác động lên piston.
+ Van giảm áp
Trong trường hợp một nguồn áp suất (bơm) phải cung cấp cho nhiều nơi tiêu thụ với yêu cầu áp suất khác nhau người ta phải dùng đến van giảm áp. Van giảm áp dùng để hạ áp suất được cấp từ nguồn xuống phù hợp với yêu cầu nơi tiêu thụ, đồng thời có thể giữ cho áp suất nơi đó luôn luôn không đổi.
Từ đó suy ra rằng thực chất của van giảm áp là một tiết lưu tự động điều chỉnh sức cản của nó trong từng thời điểm bằng độ chênh giữa áp suất vào van pv và áp suất hằng số khi ra pga.
Dạng đơn giản nhất của van này có trên hình 2-23. Nó gồm piston 2 có một đầu hình nón, một đầu hình trụ tì lên lò xo 1. Áp lực chất lỏng trên piston sẽ cân bằng với ứng lực lò xo. Khi đó cửa lưu thông giữa đường 3 và 4 (khe giữa đầu nón của piston với đế van) có diện tích xác định và áp suất ra pga có trị số xác định. Nếu áp suất ở đường 4 vì một lý do nào đó, tăng lên, piston sẽ mất cân bằng và bị áp lực chất lỏng đẩy sang trái đóng bớt cửa lưu thông lại. Kết quả là hạn chế được chất lỏng từ nguồn về đường 1 để giữ nguyên áp suất pga ban đầu.
Hình 2-23. Van giảm áp
Trong trường hợp lưu lượng lớn, người ta dùng van giảm áp tuỳ động. Cũng như van an toàn tuỳ động, nó là cơ cấu bao gồm van bi (hay nón) tùy động, piston bậc và lỗ giảm chấn. Tuy vậy về nguyên lý hoạt động giữa chúng điểm khác nhau cơ bản ở van giảm áp tuỳ động, áp suất ở cửa ra có tác dụng điều khiển hoạt động của nó và kết quả là giá trị áp suất đó được giữ nguyên không đổi.
Để làm ví dụ, ta hãy xét sự hoạt động của một van giảm áp tùy động (hình 2-24) dùng để giảm áp suất từ nguồn tới và ổn định áp suất đã được giảm.
Hình 2-24. Van giảm áp tùy động
Van giảm áp tùy động gồm vỏ 1, piston 2, lò xo 3 và 5, van bi tùy động 4 và nắp 6. Chất lỏng làm việc được đẩy từ buồng a sang buồng b qua cửa lưu thông giữa mép piston 2 và vỏ. Piston 2 bị lò xo yếu 3 luôn luôn ép xuống dưới.
Ở lỗ thông 9 giữa thân piston có lỗ giảm chấn 8, nhờ đó mà buồng b luôn luôn thông với buồng c. Buồng b cũng luôn luôn thông với buồng e qua lỗ giảm chấn 10.
Lò xo 5 luôn luôn có xu hướng đẩy viên bi 4 về đế van, ứng lực của nó có thể điều chỉnh được nhờ vít 7.
Khi áp lực chất lỏng tác dụng lên viên bi chưa vượt quá ứng lực giới hạn của lò xo 5 thì viên bi 4 bị ép chặt vào đế van. Khi đó piston 2 ở vị trí thấp nhất dưới tác dụng của lò xo 3. Lúc này diện tích của lưu thông giữa buồng a và b lớn nhất, vì vậy chất lỏng chảy tự do qua van giảm áp và áp suất trong buồng b bằng áp suất do bơm dẫn đến.
Khi áp suất ở cửa ra tăng lên, nghĩa là áp lực tác dụng lên viên bi 4 tăng lên và vượt quá ứng lực giới hạn lò xo 5 thì van bi được mở ra. Khi đó chất lỏng từ buồng b chảy qua buồng d lên c qua van bi thoát về thùng chứa. Vì dòng chất lỏng qua lỗ giảm chấn 8 bị tổn thất áp suất nên áp lực trên piston về phía buồng e và d lớn hơn áp lực về phía buồng c. Do vậy piston 2 được nâng lên cho đến khi có sự cân bằng áp lực chất lỏng và ứng lực lò xo tác dụng lên nó.
Khi piston được nâng lên, diện tích cửa lưu thông giữa buồng a và b bị hẹp lại, kết quả là áp suất trong buồng a cao hơn trong buồng b.
Nếu vì lý do nào đó, áp suất trong buồng b bị giảm xuống thì sự cân bằng lực tác dụng lên piston 2 bị phá vỡ. Sở dĩ như vậy vì áp lực tác dụng lên piston 2 về phía buồng d và e bị giảm so với trường hợp cân bằng trước. Do đó lò xo 3 đẩy piston 2 xuống dưới, mở rộng thêm diện tích cửa lưu thông giữa buồng a và b. Kết quả là áp suất trong buồng b được tăng lên cho đến khi trở về trị số.
Nếu trong thời gian làm việc, ta luôn luôn để cho một ít chất lỏng tháo qua van bi tuỳ động thì nhờ hoạt động của van giảm áp tuỳ động mà áp suất trong đường ống sau van được giữ luôn luôn không đổi và có trị số nhỏ hơn áp suất do bơm tạo ra. Có thể tạo được áp suất pga theo ý muốn bằng cách điều chỉnh ứng lực của lò xo 5.
+ Bộ điều tốc
Như ta biết, lưu lượng chất lỏng qua tiết lưu phụ thuộc độ chênh áp trước và sau tiết lưu. Khi phụ tải thay đổi độ chênh áp đó sẽ thay đổi, vì vậy cơ cấ tiết lưu không có khả năng giữ cho lưu lượng qua nó không đổi, nghĩa là không thể ổn định được vận tốc của động cơ thủy lực. Nếu phối hợp hoạt động giữa tiết lưu và van điều áp thì sẽ ổn định được lưu lượng (vận tốc) của động cơ thuỷ lực, làm cho chúng không phụ thuộc vào sự biến đổi của phụ tải. Cơ cấu phối hợp như vậy có tên là bộ điều tốc.