Bài giảng Thủy lực khí nén - Chương 4: Van điều chỉnh lưu lượng

CENNITEC VAN ĐIỀU CHỈNH LƯU LƯỢNG Nội dung 1 Van chỉnh lưu lượng không bù áp suất 2 Van chỉnh lưu lượng có bù áp suất 3 Van giảm tốc 4 Van tiết kiệm năng lượng Cennitec Van điều chỉnh lưu lượng Van điều chỉnh lưu lượng dùng để điều chỉnh lượng dầu cung cấp cho xy lanh từ đó quyết định vận tốc làm việc cho các cơ cấu chấp hành. Điều này đạt được bằng cách thay đổi tiết diện của dòng chảy, đồng thời hình dáng hình học của tiết diện cũng giữ vai trò quan trọng trong vấn đề thiết kế các van điều chỉnh lưu lượng. Lưu lượng khi đi qua một tiết diện nhỏ thường được xem như là một dòng rối và nó được tính theo công thức sau: q = C x (ΔP)1/2 trong đó, q là lưu lượng, x là diện tích lổ chảy, ΔP là độ chênh áp trược và sau lổ, C là hằng số phụ thuộc vào hình dáng của lổ chảy, độ nhớt của lưu chất và hệ số Reynolds ΔP q Con trượt x, tiết diện Hình 3.39 Lưu lượng qua tiết diện hẹp Cennitec Van chỉnh lưu lượng không bù áp suất Cấu tạo của loại van này không chứa bộ phận cân bằng áp suất. Do vậy, khi tải thay đổi thì độ chênh áp trước và sau van cũng thay đổi, do đó lưu lượng đi qua van cũng bị thay đổi theo. Loại van này chỉ được dùng để điều chỉnh vận tốc của các cơ cấu chấp hành mà ở đó tải hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít. Cấu tạo và ký hiệu của van được trình bày trong hình 3.40. Lưu lượng vào Lưu lượng ra Lưu lượng ra Lưu lượng vào Đi tự do Hình 3.40 Van chỉnh lưu lượng không bù áp suất Cennitec Van chỉnh lưu lượng có bù áp suất Lưu lượng vào Tiết diện A Van một chiều Bộ phận cân bằng áp suất F lò xo P1 P2 Tiết diện a Con trượt P3 Lưu lượng ra Bộ tiết lưu Nút điều chỉnh Hình 3.41 Van chỉnh lưu lượng có bù áp suất Hình 3.41 trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của van điều chỉnh lưu lượng có bù áp suất. Gọi P1 là áp suất tại cửa vào của van, P2 là áp suất tại cửa ra của bộ phận cân bằng áp suất (cũng là áp suất tại cửa vào của bộ tiết lưu) và P3 là áp suất tại cửa ra của van. Cennitec Van chỉnh lưu lượng có bù áp suất Phương trình cân bằng lực tác động lên con trượt được viết như sau: P3A + F lò xo = P2A Khi áp suất P3 tại cửa ra của van tăng lên thì điều kiện cân bằng trên mất đi, khi đó P3A + F lò xo > P2A Do vậy con trượt bị đẩy về bên phải cho phép mở rộng tiết diện tại bộ cân bằng áp suất. Lưu lượng tăng lên và vì vậy áp suất P2 cũng tăng lên cho đến khi điều kiện cân bằng mới được xác lập. Quá trình tương tự cũng xảy ra khi áp suất P3 giảm đi. Nhờ họat động của bộ phận cân bằng áp suất này mà độ chênh áp trước và sau bộ tiết lưu luôn là hằng số bất chấp có sự thay đổi áp suất trong hệ thống. Độ chênh áp đó có thể được tính như sau: Lưu lượng vào Tiết diện A Van một chiều ΔP = P2 - P3 = F lò xo / A Bộ phận cân bằng áp suất F lò xo P1 P2 Tiết diện a Con trượt P3 Lưu lượng ra Bộ tiết lưu Nút điều chỉnh Cennitec Van giảm tốc Con trượt Con lăn Cam Cam Tiết lTưiuết lưu Van một chiều Tiết diện a Lưu lượng vào Lưu lượng ra Bộ phận cân bằng áp suất Bạc Tiết diện A Nút điều chỉnh Lổ tiết lưu g n ợ Nhanh ư l u ư L Hình 3.43 Sự thay đổi lưu lượng theo hành trình cam Giảm dần Chậm Hành trình Mở hòan tòan cam Con trượt đóng dần theo Đóng hòan tòan hành trình cam Cennitec Van giảm tốc Lổ tiết lưu Van một chiều Con lăn Cam Tiết lưu Con trượt Lưu lượng vào g n ợ ư Nhanh l u ư Giảm tốc L Lưu lượng ra Trung bình Chậm Bộ phận cân bằng áp suất Dầu rò rỉ Hành trình cam Mở hòan tòan Đóng hòan tòan Bạc Hình 3.44 Van giảm tốc nhiều cấp Đóng một phần Đóng hòan tòan Cam Cam Van điều chỉnh nhỏ, QL Van điều chỉnh lớn, QH Van điều chỉnh nhỏ, QL Van điều chỉnh lớn, QH Cennitec Van giảm tốc Hình 3.45 Mạch dùng van giảm tốc Cennitec Van tiết kiệm năng lượng A B A0 A P1 P2 B Hình 3.46 Van tiết kiệm năng lượng Hình 3.46 minh họa nguyên lý làm việc của van tiết kiệm năng lượng. Nó bao gồm van tiết lưu và bộ cân bằng áp suất được lắp song song. Tải của bơm thay đổi theo tải của hệ thống và luôn cao hơn một ít, P1 = P2 + ΔP, ΔP = 4 đến 10 bar. Vì vậy mà nó được gọi là van tiết kiệm năng lượng. Cennitec Van tiết kiệm năng lượng Sơ đồ dưới đây trình bày hệ thống thủy lực dùng van điều chỉnh lưu lượng 3 cửa đang ở trạng thái nghỉ. D 0 bar 1 b Chỉnh 50 l/min 50 l/min A P B T a Lò xo điều khiển-5 bar P 1 Chỉnh 100 bar 5 bar 50 l/min M 100 l/min Lưu lượng cung cấp bởi bơm là 100 l/min. Van điều chỉnh lưu lượng chỉnh ở 50 l/min. Lò xo điều khiển của van áp suất có giá trị là 5 bar (giá trị này dao động từ 4 đến 10 bar tùy theo nhà chế tạo). Trong trạng thái nghỉ như trong hình trên, lưu lượng 50 l/min xả về bể chứa dầu với độ chênh áp suất là 5 bar. Cennitec Van tiết kiệm năng lượng 70 bar D1 Chỉnh 50 l/min b A P 50 l/min T B Lò xo điều khiển-5 bar a P 1 Chỉnh 100 bar 75 bar 50 l/min M 100 l/min Giả thiết rằng tải của xy lanh khi đi ra là 70 bar, khi đó lưu lượng dư 50 l/min được xả về bể chứa với độ chênh áp là (70 + 5 = 75 bar). Khi van điều chỉnh lưu lượng 3 cửa được sử dụng thì lưu lượng dư được xả về bể chứa với độ chênh áp tướng ứng với tải của cơ cấu chấp hành. Vì vậy van này còn được gọi là van tiết kiệm năng lượng. Cennitec Van tiết kiệm năng lượng 100 bar D1 Chỉnh 50 l/min b A P 0 l/min T B Lò xo điều khiển-5 bar a P 1 Chỉnh 100 bar 100 bar 100 l/min M 100 l/min Khi tải của cơ cấu chấp hành tăng lên thì bộ điều chỉnh áp suất tự cân bằng để luôn giữ cho độ chên áp luôn là 5 bar. Khi tải tăng đến ngưỡng cài đặt của van, trong trường hợp này là 100 bar, thì toàn bộ lưu lượng của bơm sẽ trả về bể chứa dầu. Cennitec Bộ chia lưu lượng Bộ chia lưu lượng được dùng để chia lưu lượng thành 2 hay nhiều thành phần theo một tỉ lệ nhất định. Bộ chia lưu lượng có 2 dạng chính đó là dịch chuyển thể tích và con trượt. Dạng dịch chuyển thể tích bao gồm hai hay nhiều động cơ thủy lực lắp trên cùng một trục, quay cùng một vận tốc. Q = V n, Q = V n Q = V n 1 g1 2 g2 3 g3 P Q P Q P3 Q3 1 1 2 2 Vậy, Vg1 Vg2 Vg3 Q1 : Q2 : Q3 = Vg1 : Vg2 : Vg3 P Q Q1 + Q2 + Q3 = Q 3 Trong đó, n = vận tốc động cơ (rps), Q = lưu lượng của động cơ (m /s), Vg = thể tích riêng của động cơ (m3/s). Bằng cách dùng bộ chia lưu lượng dạng thể tích này, lưu lượng có thể được chia thành 2 hay nhiều phần khác nhau, với tỉ lệ cho trước. Cennitec Bộ chia lưu lượng Bộ chia lưu lượng dạng này cũng có thể dùng để tăng áp suất đầu ra (xem hình 3.45). Động cơ thứ 2 được nối về bể chứa dầu. Nó kéo động cơ thứ nhất, hoạt động như bơm với áp suất vào là P. Giả thiết rằng hệ thống là lý tưởng, công suất thủy lực đầu vào và đầu ra bằng nhau. Do vậy, Q1P1 + Q2P2 = QP P1 Q1 P2 Q2 Q1 = Vg1n, Q2 = Vg2n và Q1 + Q2 = Q V V g1 g2 Vì P2 = 0 nên P1 = P(Vg1+ Vg2)/ Vg1 P Q Cennitec Bộ chia lưu lượng Xy lanh nhận một lưu lượng là 30 l/min P2 P4 và áp suất xy lanh cần để thắng tải là 90 bar 0 bar A B 90 bar. Áp suất làm việc của bơm là 30 D1 bar. Sở dĩ như vậy là vì bộ chia lưu b P T a lượng nhận 90 l/min, nhưng chỉ dùng có 30 l/min để tạo ra công. Hai lưu 60 l/min n i m lượng 30 l/min còn lại xả về bể chứa / l A B 0 c dầu với áp suất bằng 0. Năng lượng 3 A B này được chuyển qua cho bộ chia còn P T d lại. Như vậy bộ chia còn lại trở thành T n bơm với áp suất tại cửa vào là 30 bar i m / l và hai động cơ kéo nó đến áp suất 90 0 3 bar. Trong hệ thống có sử dụng bộ P1 120 bar p chia dạng này thì áp suất trung bình 30 bar 0 của cửa ra sẽ bằng áp suất cửa vào. P T Trong trường hợp này thì (90 bar + 0 M bar + 0 bar)/3 = 100 bar. 90 l/min Cennitec Bộ chia lưu lượng P2 P4 90 bar 0 bar A B D1 b P T a 30 l/min 30 l/min Để xy lanh có được vận tốc trung bình, vị trí các n i m / l A B van phân phối được điều khiển như trong hình. 0 c 3 Cuộn dây d được kích hoạt cho phép 30 l/min A B cấp thêm cho xy lanh. Lúc này áp suất làm việc P T d của bơm sẽ là 60 bar. T n i m / l 0 3 P1 120 bar 60 bar p0 P T M 90 l/min Cennitec Bộ chia lưu lượng P2 P4 90 bar 0 bar A B Để xy lanh đi ra với vận tốc nhanh nhất, các van D1 a phân phối được điều khiển như trong hình 3.48c. b P T 60 l/min Áp suất làm việc của bơm ở giai đoạn này đúng 0 l/min bằng tải của xy lanh. n i m / l A B 0 c 3 A B P T d T n i m / l 0 3 P1 120 bar p 90 bar 0 P T M 90 l/min Cennitec Bộ chia lưu lượng P2 P4 90 bar 0 bar A B D1 b P T a 60 l/min 0 l/min Để xy lanh đi ra với vận tốc nhanh nhất, các n i m / van phân phối được điều khiển như trong l A B 0 c hình. Áp suất làm việc của bơm ở giai đoạn 3 A B này đúng bằng tải của xy lanh. P T d T n i m / l 0 3 P1 120 bar p 90 bar 0 P T M 90 l/min Cennitec Bộ chia lưu lượng P2 P4 0 bar 90 bar A B D1 b P T a 60 l/min 0 l/min n i m / l A B Để xy lanh đi về với vận tốc nhanh 0 c nhất, vị trí của các van phân phối 3 A B được điều khiển. P T d T n i m / l 0 3 P1 120 bar p0 90 bar P T M 90 l/min Cennitec Các phương pháp điều chỉnh vận tốc của xy lanh a) Điều chỉnh lưu lượng ngõ vào Lưu lượng do bơm cung cấp là Q (l/min) 2 A (cm2) a (cm ) Lưu lượng cần chỉnh cho xy lanh là q (l/min) Lưu lượng dư xả va van an tòan là (Q – q) (l/min) Năng lượng mất mát là [P x (Q - q)]/600 (kW), P (bar) là giá trị cài cho van giới hạn áp suất. Vận tốc của xy lanh trong trường hợp này là v = (Q-q) (l/min) q/6A (m/s). q (l/min) Dầu vào xy lanh sẽ bị nén trước khi xy lanh bắt p (bar) đầu chuyển động. Lực (hoặc áp suất) cần di chuyển xy lanh từ trạng thái đứng yên sẽ lớn hơn lực (hoặc áp suất) cần để duy trì chuyển động Q (l/min) của xy lanh. Khi tải bắt đầu chuyển động, lực cản giảm và áp suất trong piston rơi do sự tăng thể tích đột ngột. Do vậy với cách điều khiển này sẽ tồn tại những thời điểm không ổn định trong chuyển động của xy lanh. Cennitec Các phương pháp điều chỉnh vận tốc của xy lanh Điều chỉnh lưu lượng ngõ ra 2 Trong trường hợp này lưu lượng của bơm A (cm2) a (cm ) cũng cần phải lớn hơn lưu lượng cần điều chỉnh. Như đã trình bày trong hình 3.51, lưu lượng dư phải xả qua van giới hạn áp suất q A trong trường hợp này là (Q – q(A/a)) (l/min), a A và vận tốc của xy lanh sẽ là v = q/6a. Vì tỉ lệ Q - q a (l/min) diện tích của hai buồng xy lanh là khác q (l/min) nhau nên cần phải chú ý đến áp suất tại buồng nhỏ của xy lanh. Giả sử tỉ lệ diện tích giữa hai buồng xy lanh là A:a = 2:1, nếu áp p (bar) suất tại buồng lớn của xy lanh là 150 bar thì khi đó áp suất tại buồng nhỏ sẽ là 300 bar. Q (l/min) Cennitec Các phương pháp điều chỉnh vận tốc của xy lanh Lưu lượng dư xả qua van giới hạn áp 2 2 A (cm ) a (cm ) suất là 0 (l/min). Về lý thuyết đây là phương pháp mang lại hiệu suất cao nhất. Nhưng độ chính xác của phương q (l/min) pháp này phụ thuộc vào độ ổn định của (Q-q) (l/min) lưu lượng bơm. Phương pháp này nên được sử dụng cho hệ thống mà áp suất hầu như là một hằng số hoặc yêu 0 (l/min) cầu về độ chính xác của vận tốc cơ cấu chấp hành là không cao. p (bar) Q (l/min) Cennitec CENNITEC www.themegallery.com