Điều khiển bằng Van tiết lưu

Trong thực tế khi thiết kế các mạch thủy lực có trường hợp đòi hỏi điều khiển vận tốc của cơ cấu chấp hành. Có 2 phương pháp điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành đó là: Điều khiển bằng van tiết lưu và điều khiển bằng máy thủy lực (máy bơm, motor thủy lực) có lưu lượng thay đổi.
Trong bài này mình sẽ giới thiệu về điều khiển bằng van tiết lưu. Như các bạn đã biết van tiết lưu có 2 loại: van tiết lưu cố định và van tiết lưu thay đổi. Để đạt được mục đích chúng ta phải sử dụng van tiết lưu thay đổi.

Điều khiển bằng van tiết lưu có các dạng sau:

1. Mắc van tiết lưu nối tiếp với động cơ thủy lực

Nối tiếp trước (cửa vào)
Nối tiếp sau (cửa ra)
Đồng thời nối tiếp trước và sau

2. Mắc van tiết lưu song song với động cơ thủy lực

Chúng ta lần lượt đi nghiên cứu từng trường hợp:

I. Mắc nối tiếp

A. Mắc nối tiếp trước

Các thiết bị thủy lực được lắp đặt như hình 1.b

Mach thuy luc dieu khien bang van tiet luu

Hình 1a, 1b. Mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu

Quan sát nhanh trên mạch thủy lực. Van tràn mắc song song với bơm thủy lực có tác dụng ổn định áp suất tại cửa ra của bơm, tức là giá trị áp suất tại cửa ra của máy bơm gần như không đổi p_b= const.

Nhắc lại biểu thức quan hệ giữa lưu lượng và tiết diện cùng độ chênh áp đối với van tiết lưu.

${Q_{van}} = {\mu _{van}}{S_{van}}\sqrt {\frac{2}{\rho }\Delta {p_{van}}}$ (1)

Mô tả quá trình:

Khi tiết diện van tiết lưu bằng không (S_van=0) thì lưu lượng chất lỏng qua van
Q_van = 0. Như vậy tất cả chất lỏng từ máy bơm đi ra theo van tràn trở về thùng chứa.

Khi tiết diện van tiết lưu cực đại S_van = S_maxtương ứng lưu lượng chất lỏng qua van là cực đại Q = Q_max dẫn tới tốc độ của động cơ thủy lực (xilanh hoặc motor) là cực đại.

Mô tả phản ứng

Khi lực sinh ra tại cán xilanh F tăng lên → Chênh lệch áp suất trong 2 khoang xilanh (∆p_van =p₁ – p₂) tăng lên. Mà p₂ = p_xả= p_atm= const. → Áp suất p₁ tăng lên , mà p_b = const → Chênh lệch áp suất giữa 2 đầu van tiết lưu ∆p_van giảm xuống → Từ biểu thức (1) suy ra lưu lượng Q_van giảm xuống, tức là lưu lượng đổ vào xilanh cũng giảm xuống vì Q_van= Q_xilanh → Vận tốc di chuyển piston v giảm.

Như vậy khi tăng tải trọng dẫn tới giảm tốc độ của cơ cấu.

Đặc tính tĩnh hệ thống

Là quan hệ giải tích hoặc hình học của một thông số của hệ theo một thông số khác ở một chế độ làm việc của hệ thống. ( Từ “tĩnh” ở đây biểu hiện là ở 1 chế độ làm việc của hệ thống )

1. Đặc tính tải

V = f (F) khi S_van = const

2. Đặc tính điều khiển

V = f ( S_van ) khi F = const

3. Đặc tính biến đổi

N = f ( điều kiện công tác ) hay η = f ( điều kiện công tác )

Các đặc tính tĩnh có thể thu được khi giải hệ phương trình sau:

1. Phương trình dòng liên tục: Q_van = Q_xilanh.

2. Phương trình van tiết lưu: Q_van = ….(biểu thức (1) - các bạn xem bên trên nhé)

3. Phương trình cân bằng của xilanh ( động cơ thủy lực) (p₁– p₂) S_x = F;

S_x – tiết diện công tác của xilanh.

Biểu thức vận tốc piston:

$V = {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{S_x}}}\sqrt {\frac{2}{\rho }\left( {{p_b} - \frac{F}{{{S_x}}}} \right)}$

Đây là biểu thức để xây dựng các đặc tính tĩnh.
Đặc tính tải mô tả bằng đồ thị dưới:

Đặc tính điều khiển mô tả bằng đồ thị dưới:

(Lưu ý: trên các đồ thị kí hiệu v - chỉ vận tốc, S - chỉ tiết diện, F - chỉ tải trọng)

Các tính chất đặc biệt của đặc tính tĩnh

1. Không thể điều khiển khi tải trọng âm (khi kéo tải trọng âm , khi ấn tải trọng dương)

2. Van tiết lưu làm nóng chất lỏng làm việc trước khi đổ vào động cơ.

B. Mắc nối tiếp sau

(Lưu ý chỉ xét cục bộ trong trường hợp này – với xilanh có cán 2 hướng, theo đó tiết diện piston 2 hướng bằng nhau. Quan hệ diện tích dẫn tới quan hệ về lưu lượng, một lát chúng ta sẽ sử dụng để nghiên cứu và tính toán.)
Mạch thủy lực gồm các thiết bị như hình 1.c

Hinh 1c, 1d. Mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu

Ta có quan hệ:

Q₁ = Q₂= Q_van;(do diện tích bằng nhau)

${Q_{van}} = {\mu _{van}}{S_{van}}\sqrt {\frac{2}{\rho }({p_2} - {p_{xa}})}$ ;

Nếu các giá trị là áp suất dư p_xa= p_atm = 0 ; (khi bỏ qua hao phí áp suất đường ống và thùng chứa dầu là thùng hở - thông với không khí)

$V = {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{S_x}}}\sqrt {\frac{2}{\rho }{p_2}}$ ;

Lại có (p₁ – p₂) S_x = F;

Ta vẫn thu được biểu thức:

$V = {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{S_x}}}\sqrt {\frac{2}{\rho }\left( {{p_b} - \frac{F}{{{S_x}}}} \right)}$
Biểu thức giống với phần 1.A nên các đồ thị đặc tính tải và đặc tính điều khiển tương tượng như phần 1.A

Nhận xét:

1. Có thể làm việc với tải trọng biến đổi dấu. Nghĩa là với chiều tác động của ngoại lực bất kỳ đều dẫn tới sự thay đổi vận tốc động cơ. Để bảo vệ hệ thống trong trường hợp xuất hiện chênh lệch áp suất qua van lớn cần lắp thêm van an toàn song song với van tiết lưu.

2. Chất lỏng bị làm nóng được đổ thẳng vào thùng chứa.

3. Động cơ làm việc với áp suất cực đại p_b.

C. Kết hợp cả nối tiếp trước và sau động cơ.

Từ 2 trường hợp trên biểu thức vận tốc của động cơ sẽ là :

$V = {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{S_x}}}\sqrt {\frac{1}{\rho }\left( {{p_b} - \frac{F}{{{S_x}}}} \right)}$ ;

* Ưu điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc nối tiếp:

1. Cấu trúc máy bơm và động cơ đơn giản

2. Điều khiển vận tốc liên tục và êm

3. Có thể tạo ra mạch thủy lực với nhiều động cơ mà chỉ có 1 máy bơm

4. Điều khiển van tiết lưu dễ dàng

5. Điều khiển với độ nhạy cao khi tải trọng nhỏ

6. Khởi động nhanh, độ tin cậy cao

*Nhược điểm mạch thủy lực điều khiển van tiết lưu mắc nối tiếp:

1. Hiệu suất thấp η < 0,385.

2. Đặc tính tải trọng không …

3. Điều khiển với độ nhạy thấp khi tải trọng lớn

4. Sơ đồ làm việc có dạng tuần hoàn mở

II. Mắc song song

Khi mắc van tiết lưu song song với động cơ, sẽ làm dòng đổ vào động cơ phân thành 2 dòng, 1 dòng vào động cơ , còn 1 dòng đi qua van tiết lưu. (hình 1.a)

Hình 1a, 1b. Sơ đồ điều khiển bằng van tiết lưu

Dựa vào van tràn ta thiết lập được áp suất tại cửa ra của bơm. Vậy coi p_b là 1 giá trị xác định, và coi như không đổi khi xét ảnh hưởng của van tiết lưu tới hệ thống.

1. Khi tiết diện van S_van = 0 và tải trọng không đổi F=const , tức là van đóng hoàn toàn → Lưu lượng qua van Q_van = 0 . Mà lưu lượng máy bơm bằng tổng lưu lượng qua van và động cơ Q_b= Q_van + Q_đc→ Q_b = Q_đc → Vận tốc động cơ V=V_max.

2. Khi S_van= S_max và F=const → Q_van = Q_van.max → Q_đc= Q_đc.min → V=V_min.

3. Ứng với một giấ trị tiết diện van nhất định S_van = idem. Khi tải trọng F tăng, áp suất p₁ của động cơ tăng → Độ chênh áp giữa 2 đầu van ∆p_vantăng → Lưu lượng qua van Q_van tăng → Lưu lượng vào động cơ Q_đc giảm → Vận tốc động cơ giảm.

Đồ thị đặc tính tải có dạng:

Đồ thị đặc tính điều khiển có dạng:

III. Nghiên cứu đặc tính tĩnh

1. Phương trình liên tục

Q_b= Q_van + Q_đc;

2. Phương trình qua van

$V = {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{S_x}}}\sqrt {\frac{2}{\rho }\left( {{p_b} - \frac{F}{{{S_x}}}} \right)}$ ;

3. Phương trình cân bằng với tải trọng

F = p_đcS_x; S_x – tiết diện công tác của xilanh;

Khi mắc van tiết lưu song song ta có :

p_b= p_đc = ∆p_van(Các giá trị áp suất tại đây là áp suất dư, khi cửa xả có áp suất p_xa= p_atm )

Vận tốc xilanh :

$V = \frac{{{Q_{dc}}}}{{{S_x}}} = \frac{{{Q_b} - {Q_{van}}}}{{{S_x}}}$ ;

$V = \frac{1}{{{S_x}}}\left( {{Q_b} - {\mu _{van}}{S_{van}}\sqrt {\frac{2}{\rho }\Delta {p_{van}}} } \right)$ ;

*Ưu điểm:

1. Hiệu suất hệ thống cao hơn so với mắc song song (Khi S_van= 0, hiệu suất gần như bằng 1)

2. Đặc trưng điều khiển là đặc trưng tuyến tính

*Nhược điểm

1. Đặc tính tải trọng có độ cứng thấp

2. Điều khiển với độ nhạy thấp khi tải trọng nhỏ, và độ nhạy cao khi tải trọng lớn.

3. Không có khả năng làm việc khi tải trọng thay đổi chiều.

*Ứng dụng:

Ứng dụng với mạch thủy lực có tải trọng thay đổi nhỏ.

IV. Hiệu suất của mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu

Hiệu suất của hệ thống thủy lực được xác định thông qua các hao phí công suất tại máy bơm, tại động cơ và hao phí cung cấp cho quá trình điều khiển.

η=η_b∙η_đc∙η_đk;

Với mạch thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu, hao phí cơ bản liên quan tới quá trình điều khiển van tiết lưu.

Ta coi: η_b ≈ 1; η_đc ≈ 1;

Khi đó:
${\eta _{dk}} = \frac{{{p_{dc}} \cdot {Q_{dc}}}}{{{p_b} \cdot {Q_b}}} = {\overline p _{dc}} \cdot {\overline Q _{dc}};$

${\overline p _{dc}} = \frac{{{p_{dc}} \cdot {S_x}}}{{{p_b} \cdot {S_x}}} = \frac{F}{{{F_{\max }}}} = \overline F ;$
${\overline Q _{dc}} = \frac{{{Q_{dc}}}}{{{Q_b}}} = \frac{{V \cdot {S_x}}}{{{V_{\max }} \cdot {S_x}}} = \overline V ;$
Suy ra: ${\eta _{dk}} = {\overline p _{dc}} \cdot {\overline Q _{dc}} = \overline F \cdot \overline V$ - Đây là công thức tổng quát cho các trường hợp.

1. Trường hợp mắc van tiết lưu nối tiếp:

$\overline V = {\overline S _{van}} \cdot \sqrt {\left( {1 - \frac{F}{{{p_b}{S_x}}}} \right)} \,\,;$

Mà p_b∙S_x= F_max; Suy ra:

$\overline V = {\overline S _{van}} \cdot \sqrt {\left( {1 - \frac{F}{{{F_{\max }}}}} \right)} = {\overline S _{van}} \cdot \sqrt {\left( {1 - \overline F } \right)} ;$

Đi xác định hiệu suất điều khiển cực đại.

Hiệu suất điều khiển cực đại khi: ${\overline S _{van}} = 1$ ;
Khi đó: $\overline F = 1 - {\overline V ^2};$
${\eta _{dk}} = \left( {1 - {{\overline V }^2}} \right)\overline V = \overline V - {\overline V ^3};$

Tìm cực trị của hàm η_đk:

$\frac{{d{\eta _{dk}}}}{{d\overline V }} = 1 - 3{\overline V ^2} = 0\,\, \Rightarrow \overline V = 1/\sqrt 3 \approx 0,58;$
$\overline F = 1 - 1/3 = 2/3;$
${\eta _{dk.\max }} = \left( {1 - 1/3} \right)/\sqrt 3 \approx 0,385;$
Phân tích trên chỉ ra rằng thậm chí khi hiệu suất máy bơm và động cơ là 1, thì hiệu suất của hệ thống thủy lực điều khiển bằng van tiết lưu cũng không vượt quá 0,385. Như vậy cho dù hệ thống là việc ở chế độ tối ưu thì cũng chỉ có 58% lưu lượng máy bơm đổ vào động cơ, lượng còn lại thông qua van tràn đổ về thùng chứa, và cũng chỉ 2/3 áp suất của máy bơm được sử dụng cho động cơ, lượng áp suất còn lại thất thoát tại van tiết lưu.

2. Với mạch mắc song song
Ta vẫn có: ${\eta _{dk}} = {\overline p _{dc}} \cdot {\overline Q _{dc}} = \overline F \cdot \overline V$ ;

Khi mắc song song thì

p_b= p_đc = ∆p_van khi p_xa= 0 ;

${\overline p _{dc}} = \overline F = 1,0;$
${\eta _{dk}} = 1 \cdot \overline V ;$
$\overline V = \frac{{{Q_{dc}}}}{{{Q_b}}} = \frac{{{Q_b} - {Q_{van}}}}{{{Q_b}}} = 1 - {\mu _{van}}\frac{{{S_{van}}}}{{{Q_b}}}\sqrt {\frac{2}{\rho }{p_b}} ;$

Hiệu suất mạch mắc van song song phụ thuộc vào độ mở của van.

(Link rút gọn qua AdFly - sau 5s, kích Bỏ quảng cáo, và tải về)