5. Các phần thủy lực cơ bản trong hệ thống truyền động thủy lực thể tích
5.3 Các loại van
Van là phần tử phổ biến trong truyền động thủy lực. Nhờ phối hợp hợp lý các loại van trong hệ thống truyền động thủy 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, chúng thường được chia thành ba nhóm : - Van một chiều
- Van an toàn - Van giảm áp.
a) Van một chiều.
- Van một chiều được dùng để giữ cho chất lỏng chỉ chảy theo một chiều. - Cấu tạo của van một chiều gồm : vỏ, nắp van và lị xo giữ nắp van. Có các loại nắp van :
+ Loại bi cầu
+ Loại hình nón (cơn) + Loại piston.
Khi mở, van một chiều phải có sức cản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng (ít tổn thất năng lượng). Vì vậy lực lị xo của van phải thật nhỏ, chỉ cần đủ để ép nắp van vào đế van và thắng được sức cản ma sát giữa piston và vỏ (nắp van loại piston).
- Loại van một chiều bi, cơn (hình 5.8.a,b): có kết cấu đơn giản, ít sức cản nhưng khó đóng khít (vì khi đóng khơng có thành dẫn hướng nên dễ lệch tâm) gây nên rò rỉ chất lỏng.
- Van một chiều piston (hình 5.8.c) 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 phải lớn hơn, do đó gây tổn thất thủy lực nhiều hơn. Vì vậy loại van một chiều piston thường được dùng trong hệ thống khi cần thoát một lưu lượng lớn và áp suất làm việc cao. 4 5 2 a) b) 1 2 3 a b c) 1
Hình 5-8 Các loại van một chiều.
1- Vỏ van; 2- Lò xo giữ nắp van; 3- Nắp van; 4- Đế van; 5- Piston. b) Van an toàn.
- Van an toàn dùng để đảm bảo cho hệ thống được an tồn khi có q tải. Nó được lắp trên đường ống có áp suất cao.
- Nguyên lý hoạt động của các loại van an toàn dựa vào sự cân bằng lực tác dụng trên nắp van giữa áp lực của chất lỏng trong hệ thống với ứng lực lị xo của van, có khi cả đối áp của chất lỏng trong khoang lò xo. Nếu áp lực chất lỏng nhỏ hơn ứng lực lị xo (khi hệ thống làm việc bình thường) thì van đóng lại. Nếu áp lực chất lỏng lớn hơn ứng lực của lị xo (khi hệ thống có q tải), van sẽ mở ra để tháo bớt chất lỏng về bình chứa.
Van an tồn khác với van một chiều là lị xo giữ nắp van của chúng có độ cứng hơn nhiều. Ứng lực lị xo của van an tồn được điều chỉnh phù hợp với áp suất làm việc
cho phép của hệ thống bằng vít điều chỉnh. - Phân loại :
Theo sự phối hợp làm việc trong hệ thống, chia ra :
+ Van an tồn kiểu tràn (van tràn): ln có chất lỏng thoát qua van.
+ Van an tồn kiểu kháng đỡ : chất lỏng chỉ thốt qua van khi có quá tải (van làm việc gián đoạn).
Theo nguyên lý hoạt động, van an toàn được chia ra :
+ Van tác dụng trực tiếp : kích thước hình học của cửa lưu thơng và số cửa lưu thông được thay đổi chỉ do tác dụng của chất lỏng làm việc.
+ Van tác dụng gián tiếp (van tác dụng tùy động): kích thước hình học của cửa lưu thông và số cửa lưu thông được thay đổi khơng chỉ do tác dụng của dịng chất lỏng qua nó mà cịn do tác dụng của cơ cấu phụ.
*) Van an tồn tác dụng trực tiếp.
Có các loại là: van bi, van nón (cơn) và van piston.
- Van bi (hình 5-9a): có kết cấu đơn giản nhất, phạm vi sử dụng bị hạn chế do có nhiều nhược điểm: khó đóng khít, khi đóng nắp van va đập tuần hồn vào đế van, gây ra mạch động lưu lượng và áp suất trong hệ thống. Van an toàn loại này chỉ được dùng trong các hệ thống thủy lực có áp suất và lưu lượng nhỏ, ít bị quá tải.
- Van cơn (hình 5-9.b): muốn đảm bảo đóng khít, nắp van và đế van phải đồng trục. Loại này cũng có nhược điểm là khi đóng cung gây va đập vào đế van.
- Van piston (hình 5-9.c): dùng trong hệ thống có lưu lượng lớn. Nhưng trong trường hợp áp suất cao, các van phải có lị xo thật cứng và kích thước lớn. để đảm bảo độ cứng và kích thước lị xo, người ta làm van piston có tác dụng vi sai. Đồng thời để giảm chấn động, tạo đệm giảm chấn trong van.
a b c) 2 5 6 3 2 3 4 1 5 1 b) a)
Hình 5-9 Các loại van an tồn tác dụng trực tiếp.
1- Bulông điều chỉnh; 2- Vỏ van; 3- Lò xo ép nắp van; 4- Nắp van; 5- Đế van; 6- Piston.
*) Van an toàn kiểu vi sai có đệm giảm chấn.
5 4 2 3 1 6 S1 S2 b a c
Hình 5-10 Van an tồn kiểu vi sai có đệm giảm chấn.
1- Vỏ van; 2- Piston; 3- Lỗ giảm chấn; 4- Lị xo; 5- Bulơng điều chỉnh; 6- Buồng giảm chấn.
Khi quá tải, chất lỏng thoát từ hệ thống qua cửa a sang cửa b của van rồi ra ngoài (về thùng chứa). Với kết cấu như trên, lò xo khơng chịu tồn bộ áp lực của chất lỏng tác dụng lên piston vì được áp lực trên mặt S1 (đối diện với S2) của piston đỡ bớt. Khi đó ứng lực của lò xo là: Flx = p(S2 – S1)
Trong đó: p – áp suất trong hệ thống.
S1, S2 - diện tích hai mặt đối nhau của piston trong buồng có áp suất p.
+ Khi piston di chuyển sang trái (đóng bớt cửa lưu thơng), chất lỏng từ buồng 6 chảy qua lỗ c sang buồng có lị xo. Vì có lỗ giảm chấn 3 nên áp suất trong buồng 6 sẽ cao hơn nhiều so với buồng có lị 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 van.
Nhận xét:
Các loại van an toàn tác dụng trực tiếp, mặc dù đã có những biện pháp để giảm va đập, nhưng van làm việc vẫn khơng được ổn định lắm. Đường kính của van trực tiếp bị hạn chế vì nếu quá lớn thì kích thước lị xo phải tăng lên nhiều. Vì vậy trong hệ thống có áp suất cao, để giảm ứng lực cần thiết của lị xo và tăng tính ổn định của áp suất trong hệ thống, dùng van an tồn có tác dụng gián tiếp.
*) Van an tồn có tác dụng gián tiếp.
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
+ Khi chưa quá tải (van không làm việc), áp lực của chất lỏng trong hệ thống chưa lớn hơn ứng lực lò xo của van bi nên van bi chưa mở ra. Lúc này buồng a nối thông với buồng c, d và e, piston ở vị trí thấp nhất.
+ Khi hệ thống bị quá tải, áp suất trong hệ thống tăng lên làm cho áp suất chất lỏng trong các buồng a, c, e tăng lên đột ngột (áp suất lớn hơn áp suất cho phép), áp suất của chất lỏng trong buồng e thắng ứng lực lò xo của van bi làm van bi mở ra, chất lỏng trong buồng e thoát qua buồng h về thùng chứa. Do đó làm cho áp suất trong buồng e giảm xuống tao nên sự chênh áp lớn giữa buồng c và buồng e, piston bị đẩy nâng lên nối thông buồng a với buồng b cho chất lỏng thoát về thùng chứa.
Nếu áp suất trong hệ thống (trong buồng a) tăng lên nữa thì dịng chảy từ buồng d lên buồng e càng mạnh, tổn thất áp suất tại lỗ tiết lưu 6 trong piston càng lớn, độ chênh áp trên piston càng tăng. Do đó piston lại được nâng lên, cửa lưu thông giữa buồng a và b mở rộng thêm, chất lỏng thoát về thùng chứa càng nhiều.
4 5 c a d 3 h e 2 1 b 6
Hình 5-11 Kết cấu van an tồn tác dụng gián tiếp.
1- Vỏ van; 2- Piston; 3- Bulông điều chỉnh;
4- Van bi tác dụng trực tiếp; 5- Lò xo ép piston; 6- Lỗ tiết lưu.
Thực tế van an toàn tác dụng trực tiếp thường được cho làm việc như một van tràn bằng cách điều chỉnh ứng lực lò xo của van bi sao cho van bi ln mở ra, tức là ln có chất lỏng thốt từ hệ thống về thùng chứa qua van bi và qua cửa lưu thơng giữa buồng a và b. Nhờ đó, áp suất làm việc trong hệ thống luôn được giữ ở một trị số khơng đổi.
Nhận xét:
- Van áp an tồn có tác dụng gián tiếp khơng 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. Van bi đóng vai trò cơ cấu phụ gây tác động lên piston.
c) Van giảm áp.
Trong trường hợp một nhuồn 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 cung cấp từ nguồn xuống phù hợp với yêu cầu nơi tiêu thụ, đồng thời có thể giữ cho áp suất nơi đó ln khơng đổi.
Có thể nói, van giảm áp thực chất là một loại tiết lưu tự động điều chỉnh. Sức cản của nó trong từng thời điểm bằng độ chênh lệch giữa áp suất của chất lỏng khi vào van và áp suất (không đổi) khi ra van.
- Van giảm áp tác dụng trực tiếp:
Với loại van này, áp lực chất lỏng tác dụng lên piston sẽ cân bằng với ứng lực lò xo, làm cho piston cân bằng ở một vị trí nào đó. Khi đó cửa lưu thơng qua van sẽ có diện tích xác định và áp suất ra khỏi van có trị số xác định.
Nếu vì một lý do nào đó làm cho áp suất ở cửa ra của van tăng lên, piston sẽ mất cân bằng và bị áp lực chất lỏng đẩy sang trái đóng bớt cửa lưu thơng lại. Do đó hạn chế được chất lỏng lưu thông qua để giữ nguyên áp suất ra ban đầu.
pv
p = constr
1 2 3
Hình 5-12 Kết cấu van giảm áp tác dụng trực tiếp.
1- Vỏ van; 2- Lò xo; 3- Piston.
- Van giảm áp tác dụng gián tiếp:
Khi áp suất ở cửa ra b chưa tăng lên nên áp lực chất lỏng ở buồng e (thông với cửa b) chưa thắng được ứng lực của lò xo ép van bi nên van bị đóng chặt vào đế van. Lúc đó, piston ở vị trí thấp nhất dưới tác dụng của lị xo 5. Tiết diện lưu thơng giữa cửa a và cửa b lớn nhất, vì cậy chất lỏng chạy tự do qua van giảm áp.
Khi áp suất cửa ra b tăng lên, nghĩa là áp lực của chất lỏng tác dụng lên van bi 4 tăng lên và thắng ứng lực của lò xo ép van và van bi được mở ra. Khi đó chất từ cửa b chảy qua buồng d, e, h về thùng chứa. Vì chất lỏng chạy qua lỗ tiết lưu 6 trong piston và bị tổn thất áp suất nên áp suất chất lỏng trong buông e nhỏ hơn buồng d và c. Do đó, piston được nâng lên đóng bớt tiết diện lưu thơng từ a sang b, hạn chế lượng chất lỏng lưu thông qua để giữ nguyên áp suất ra ban đầu. Piston được nâng lên cho đến khi có sự cân bằng giữa áp lực chất lỏng tác dụng lên nó và ứng lực của lị xo.
Nếu trong thời gian van làm việc, ta điều chỉnh van để ln có một lượng chất lỏng tháo qua van bi, thì nhờ hoạt động của van giảm áp tùy động mà áp suất trong đường ống sau van được giữa ln ln khơng đổi và có trị số nhỏ hơn áp suất do bơm tạo ra. Có thể tạo được áp suất sau van theo ý muốn bằng cách điều chỉnh ứng lực của lị xo 4. 4 5 c b d 3 h e 2 1 a 6
Hình 5-13 Kết cấu van giảm áp tác dụng gián tiếp.
1- Vỏ van; 2- Piston; 3- Bulông điều chỉnh;
4- Van bi tác dụng trực tiếp; 5- Lò xo ép piston; 6- Lỗ tiết lưu. d) Bộ điều tốc (ổn định tốc độ).
Lưu lượng chất lỏng qua tiết lưu phụ thuộc vào độ chênh áp trước và sau tiết lưu. Khi phụ tải thay đổi độ chênh áp đó sẽ thay đổi, vì vậy cơ cấu tiết lưu khơng có khả năng giữ cho lưu lượng qua nó khơng đổi, nghĩa là khơng ổn định được vận tốc của cơ cấu chấp hành. Bộ điều tốc thực chất là sự phối hợp hoạt động giữa tiết lưu và van điều áp để ổn định lưu lượng (vận tốc) của cơ cấu chấp hành, làm cho vận tốc của cơ cấu chấp hành không phụ thuộc vào sự biến đổi của phụ tải.
Nguyên lý và kết cấu của bộ điều tốc sẽ được trình bày cụ thể trong chương sau.