3.2 CÁC VAN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG
3.2.1 Điều khiển tốc độ của xilanh
Trong mạch xilanh đơn giản có 3 vị trí trong đó van điều khiển lưu lượng có thể được đặt tương đối với xilanh: Ngõ vào, ngõ ra và rẽ nhánh.
Lượng dầu đi vào xilanh được điều khiển như trong hình 3.26 (a). (Lưu ý răng van điều khiển hướng không được hiển thị). Máy bơm phải cung cấp nhiều dầu hơn mức cần thiết để điều khiển xilanh ở tốc độ đã chọn, lượng dầu dư thừa chuyển sang bể chứa ở cài đặt van xả. Áp suất mạch phải ở vị trí cao hơn mực cần thiết để vượt qua tải do các yêu cầu cầu van điều khiển lưu lượng (giảm khoảng 10 bar, như nêu trước đây).
Khi mạch ban đầu được khời động, ống bù sẽ mở hoàn toàn gây ra dòng chảy trược khi bộ bù điều chỉnh để kiểm sốt chính xác. Trong các ứng dụng của máy,
Hình 3.26 Điều khiển lưu lượng. (a) ‘Ngõ vào’ (b) ‘Ngõ ra’
dòng chảy ban đầu sẽ làm cho các thiết bị đào sâu vào công việc. Trong những trường hợp này, phải sử dụng van kiểm sốt dịng chảy với các thiết bị chống đột nhập.Một cách khác là thiết kế mạch sao cho ln có dịng chảy qua van điều khiển dịng chảy - điều này giữ cho ống bù ‘hoạt động’, ngăn chặn dòng chảy hoặc đá.
Chất lỏng trong xilanh phải được điều áp trước khi piston bắt đầu di chuyển, điều này đòi hỏi một dòng chất lỏng để gây nén. Lực hoặc áp suất cần thiết để bắt đầu chuyển động xilanh thường lớn hơn áp suất cần thiết để duy trì chuyển động (do ma sát tĩnh và quán tính tải). Khi tải đã bắt đầu di chuyển, khả năng giảm chuyển động và áp lực lên piston giảm xuống cùng với sự giãn nở của chất lỏng gây ra gia tốc đột ngột. Một số mức độ không ổn định tồn tại, ban đầu gây ra tác động của bù áp trong van điều khiển lưu lượng.
Có thể có xu hướng cho tải trọng đảo ngược, nghĩa là hành động theo hướng chuyển động hoặc chạy quá mức. Hệ thống đầu vào mất kiểm soát. Để khắc phục vấn đề này áp suất ngược phải được đưa ra bằng cách sử dụng van đối trọng hoặc van quá tâm trong dịng bể, điều này có nghĩa tăng áp suất hệ thống.
Hệ vào cung cấp điều khiển chính xác cung cấp tải chống lại chuyển động của bộ truyền động. Nếu một bo dịch chuyển cố định được sử dụng trong một phạm vi rộng của tốc độ piston, một tỉ lệ lớn chất lỏng chảy qua van xả, dẫn đến một hệ thống ‘nóng’.
Van điều khiển lưu lượng được lắp đặt trong đường hồi lưu đo chất lỏng được xả ra như trong hình 3.26 (b). Như trong trường hợp ‘ngõ vào’, máy bơm phải cung cấp nhiều dầu hơn so với xilanh.Áp suất mạch phải vượt qua trở kháng của xilanh và giảm áp trên van điều khiển lưu lượng.Tuy nhiên, vì van điều khiển lưu lượng nằm ở phía bên phải của piston nên cần có một áp suất giảm ở đầu khoan đẩy đủ (do các khu vực khác biệt) để khắc phục sự sụt áp trên van điều khiển lưu lượng.Điều này làm cho nó hiệu quả hơn một chút trên sự mở rộng của việc đột nhập.
Ban đầu, ống bù được mở hoàn toàn, và lưu lượng bơm đầy đủ được truyền vào xilanh cho đến khi piston di chuyển về phía trước tạo áp suất lên ở van điều khiển lưu lượng. Bây giờ bộ đệm bù sẽ đi vào hoạt động và hạn chế dịng chảy đến giá trị chính xác của nó.Có sự tăng dòng chảy ban đầu trước khi ống bù của bộ bù điều chỉnh như trong trường hợp cảu ‘ngõ vào’.
Khi sử dụng hệ thống đầu ra, áp suất ở cuối vịng của xilanh phải được xem xét cẩn thận, ví dụ: nếu tỉ lệ diện tích piston và cần là 2:1
Hình 3.27 Van xả ngặn chặn quá áp suất do việc kiệm soát ‘Hệ ra’
vàhệ thống áp suất là 150 bar. Khơng có tải bên ngồi thì áp suất cuối vịng sẽ là 300 bar.Nếu điều kiện này có khả năng xảy ra, một van xả riêng biệt có thể lắp vào phía bên cảu xilanh để ngăn chặn quá áp suất như trong hình 3.27. (Lưu ý: Nếu van xả thứ cấp ‘thổi’, việc điều khiển tốc độ sẽ bị mất).
Với điều khiển tốc độ của ‘ngõ ra’, lượng dầu rời khỏi xilanh được kiểm soát.Khi số lượng xilanh nhỏ hơn, lưu lượng cuối vịng sẽ nhở hơn cuối đường ống. Do đó dưới điều kiện mở rộng, điều khiển lưu lượng ‘hệ ra’sẽ không nhạy như ‘ngõ vào’. Khi xilanh được rút lại, điều ngược lại đúng.
‘Ngõ ra’ cung cấp kiểm soát tốc độ chính xác ngay cả với tải đảo ngược. Tuy nhiên, như với hệ thống ‘ngõ vào’, nhiệt lượng đáng kể sẽ được tạo ra khi sử dụng với bơm phân phối cố định và một loạt các tốc độ piston.
Rẽ nhánh
Van điều khiển lưu lượng được bố trí để bỏ qua một phần đầu ra của bơm trực tiếp vào bể như hình 3.28.Áp suất hệ thống chỉ đạt đến cài đặt van xả khi piston đứng yên.Do đó dầu thừa chảy ra trên van điều khiển dòng chảy ở áp suất gây ra bởi tải xilanh. Điều này dẫn đến một hệ thống mát hơn và hiệu quả hơn.
Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào việc cung cấp từ máy bơm, vì điều này thay đổi theo áp suất. ‘Thốt ra’ được sử dụng khi áp suất không đổi hoặc điều khiển tốc độ chính xác khơng quan trọng (đó là dịng chảy khơng mong muốn được kiểm sốt chính xác).
Nói chung ‘dịng chảy’ điều khiển tốc độ tốt nhất khi đạt tối đa đầu ra cảu bơm được sử dụng bởi xilanh và chỉ có một tỉ lệ nhỏ được bỏ qua.
Hình 3.28 Điều khiển lưu lượng chảy
Ví dụ 3.5: Hiệu quả liên quan đến điều khiển ‘đầu vào’ và ‘ đầu ra’
Một xilanh tạo ra lực đẩy về phía trước 100 kN và lực đẩy ngược là 10 kN. Hiệu quả cảu sử dụng các phương pháp khác nhau của sự điều chỉnh tốc độ mở rộng cần được xem xét.Trong tất cả trường hợp, tốc độ trở về xấp xỉ 5m/phút sử dụng lưu lượng bơm đẩy đủ. Giả sử áp suất bơ tối đa là 160 bar và áp suất giảm trên các thành phần sau và hệ thống đường ống liên quan của chúng (nơi chúng được sử dụng):
Bộ lọc = 3 bar
Van lọc hướng (mỗi đường dẫn) = 2 bar
Van điều khiển lưu lượng (lưu lượng được điều khiển) = 10 bar Van điều khiển lưu lượng (kiểm tra van) = 3 bar
Mục đích:
(a) Kích thước xilanh (giả sử 2:1 là tỉ lệ diện tích piston và diện tích cần piston)
(b)Kích thước bơm, và
(c)Hiệu suất mạch Khi sử dụng:
Trường hợp 1: Khơng điều khiển lưu lượng (hình 3.29) (tính tốc độ mở rộng) Trường hợp 2: Điều khiển lưu lượng hệ vào cho tốc độ mở rộng là 0,5 m/phút Trường hợp 3: Điều khiển lưu lượng hệ ra cho tốc độ mở rộng là 0,5 m/phút
Hình 3.29 Ví dụ 3.5 Khơng điều khiển lưu lượng Trường hợp 1: Khơng điều khiển lưu lượng (hình 3.29)
(a)Áp suất có sẵn tối đa tại cuối lỗ
của xilanh là 160-3-2 = 155 bar
Áp suất ngược tại vòng của xilanh là 2 bar.Áp suất tương đương 1 bar tại hầu hết ở cuối đường ống bởi vì tỉ lệ diện tích 2:1. Do đó, áp suất có sẵn tối đa cho hầu hết các tải tại cuối đường ống là
155-1 =154 bar
Diện tích đẩy đủ của ống = Tải/Áp suất
= 100 x 10 3 (Nm2/N) = 0.00649 m2
154 x 105
1/ 2
Đường kính piston = ( = 90.9 mm
Chọn tiêu chuẩn của xilanh (tham khảo bảng 4.1) với đường kính ống là 100 mm, đường kính cần xilanh là 70 mm.
Tổng diện tích ống = 7.85 x 10−3 m2 Diện tích vịng = 4 x 10−3 m2
Do đó tỉ lệ xấp xỉ là 2:1
(b) Lưu lượng được yêu cầu cho tốc độ trở về của 5 m/phút là Diện tích x Vận tốc
= 4 x 10−3 x 5 m3/phút
= 20 l/m
Tốc độ mở rộng =
= 2.55 m/phút
Tổng áp suất của tải mở rộng là
100 x 103 7.85 x 10−3 = 12.7 x 106 N/m2
10 x 10 3 4 x 10−3 = 2.5 x 106 N/m2
= 2.5 bar
(ii) Áp suất tại bơm mở rộng ( làm việc từ cổng của bể van điều hướng)
Áp suất giảm hơn van điều khiển hướng từ B đến T là 2 bar x ½ (tỉ lệ diện tích piston)= 1 Áp suất gây tải = 127
Áp suất giảm trên van điều khiển hướng từ P đến A = 2 Áp suất giảm trên bộ lọc = 3
Do đó áp suất được yêu cầu tại bơm trong quá trình kéo dài = 133 bar Cài đặt van xả = 133 + 10% = 146 bar
(ii)Áp suất được yêu cầu tại bơm trở về (làm việc từ cổng của van điều hướng trước đó ) là (2 x 2) + 25 + 2 + 3
Lưu ý:Việc hôc trợ sẽ không làm việc khi xảy ra các hiện tượng nguy hiểm của chuyển
động xilanh
Ngồi ra khi khơng cần phải di chuyển, lưu lượng bơm có thể được xả vào bể ở áp suất thấp trong điều kiện trung tâm của van điều khiển phương hướng.
(c) Hiệu suất hệ thống Đó là
= Lưulượng đến xilanh xáp suất tải
Lưulượng từ bơm x ápsuất tại bơm
Hiệu quả khi kéo dài hành trình = 20 x 127 x 100 = 95,5% 20 x 133 Hiệu suất khi rút lại đột quỵ = 20 x 25 x 100 =
73,5% 20 x 34
Trường hợp 2: ‘Điều khiển lưu lượng kế’ cho tốc độ mở rộng 0.5 m/phút (Hình 3.30)
Từ Trường hợp 1,
Đường kính lỗ khoan 100 mm đường kính que 70 mm Diện tích lỗ khoan đầy đủ = 7.85 x 10 m
Diện tích Annulus = 4.00 x 10-3m2 Áp lực gây ra khi mở rộng = 127 bar Áp lực gây ra khi rút lại = 25 bar Lưu lượng bơm tốc độ = 20 l/phút
Tốc độ dòng chảy cần thiết cho tốc độ mở rộng 0.5 m/phút là 7,85 x 10-3 x0,5
= 3.93 x 10-3m3/phút = 3,93 1/phút
Làm việc trở lại từ cổng bể điều khiển hướng: Áp suất yêu cầu khi bơm khi co lại là
Áp suất cần thiết khi mở rộng bơm là
Cài đặt van xả là
Đây là gần với áp suất làm việc tối đa của bơm (160 bar). Trong thực tế, có lẽ nên chọn máy bơm khác có áp suất làm việc cao hơn (210 bar) hoặc sử dụng kích thước tiêu chuẩn kích cỡ kế tiếp của xi lanh. Trong trường hợp sau, áp suất làm việc sẽ thấp hơn nhưng bơm tốc độ dòng chảy cao hơn sẽ cần thiết để đáp ứng các yêu cầu tốc độ.
Vì thế một van điều khiển dịng chảy đã được giới thiệu khi xi lanh nằm trên hành trình kéo dài, chất lỏng dư thừa sẽ được xả ra qua van xả.
Hiệu suất hệ thống mở rộng là
Hiệu suất hệ thống khi co lại là
Trường hợp 3: ‘điều khiển lưu lượng ra’ cho tốc độ mở rộng 0.5 m/phút (Hình 3.31) Xi lanh, tải , tốc độ dịng chảy và chi tiết bơm như trước đây. Làm việc trở lại từ cổng bể điều khiển hướng:
Áp suất cần thiết khi bơm khi co lại là
Áp suất cần thiết khi bơm khi mở rộng là
Hình 3.31 Ví dụ 3.5 với điều khiển dịng chả theo lưu lượng ra Hiệu suất hệ thống khi mở rộng là
Hiệu suất hệ thống khi co lại là
Như có thể thấy, ‘điều khiển lưu lượng ra’ có hiệu quả hơn so với ‘điều khiển lưu lượng vào’ tỷ lệ giữa diện tích piston với diện tích cần piston. Cả hai hệ thống đều hiệu quả như nhau khi được sử dụng thông qua xi lanh thanh hoặc động cơ thủy lực. Cần phải nhớ rằng ‘điều khiển lưu lượng ra’ sẽ ngăn chặn mọi xu hướng của tải ra xa. Trong cả hai trường hợp nếu hệ thống đang chạy nhẹ, tức là chống lại với tải thấp, nhiệt lượng quá mức sẽ được tạo ra trên các điều khiển dịng chảy ngồi nhiệt lượng được tạo ra trên van xả. Do đó, sẽ có thêm sự giảm hiệu quả. Cũng trong những trường hợp này, với điều khiển lưu lượng 'mét', cường độ áp suất rất cao có thể xảy ra ở phía bên của xi lanh và trong hệ thống đường ống giữa xi lanh và van điều khiển lưu lượng. Hãy xem tình huống trong mạch ‘điều khiển lưu lượng ra’ vừa được xem xét (Hình 3.31), tải trên phần mở rộng giảm xuống cịn 5 kN mà khơng có bất kỳ giảm tốc độ lõi nào trong cài đặt van xả: Lưu lượng vào đầy khoang đến cuối cùng là 3.93 l/phút.
Do đó, lưu lượng vượt quá từ bơm là 20 – 3.93 = 16.07 1/phút,
Nó sẽ vượt qua van xả ở 152 bar. Áp suất ở đầu khoan đầy của xi lanh là 152 - 3 - 2= 147 bar
Điều này tạo ra một lực, cái chịu được tải trọng và áp suất ngược phản ứng ở phía bên cạnh.
Nơi có áp suất P trong cạnh bên của xi lanh và giữa xi lanh và van điều khiển lưu lượng, và
Hiệu suất của hệ thống khi mở rộng là
Hầu như tất cả năng lượng đầu vào bị lãng phí và tiêu tan dưới dạng nhiệt vào chất lỏng, chủ yếu qua các van xả và van kiểm sốt dịng chảy.