Các phần tử thực hiện trong hệ thống thủy lực

1. Khái niệm chung

Ngày nay, cả động cơ thủy lực và xy-lanh thủy lực là các cơ cấu thực hiện chính trong hệ thống thủy lực để chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ. Các phần tử thực hiện này là các thiết bị liên kết giữa mạch thủy lực và máy công cụ sản xuất.

Động cơ thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực sang cơ năng dưới dạng chuyển động quay, còn xy-lanh thủy lực chuyển năng lượng thủy lực sang chuyển động tịnh tiến. Do tính chất này nên người ta có thể coi xy-lanh thủy lực như là một động cơ thủy lực tuyến tính.

2. Xy-lanh thủy lực

Xy-lanh thủy lực khác động cơ thủy lực cơ bản ở chỗ là xy-lanh thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến và truyền lực cho máy sản xuất; còn động cơ thủy lực tạo chuyển động quay và momen cho máy sản xuất.

Nếu bỏ qua ma sát, thì lực tối đa mà xy-lanh có thể tạo ra phụ thuộc vào áp lực hoạt động cực đại p và tiết diện tác dụng A của xy-lanh:

F = p.A(kN)

Nếu máy sản xuất cần các chuyển động tịnh tiến, và sử dụng các xy-lanh thủy lực thì sẽ có các thuận lợi sau:

Thiết kế đơn giản với truyền động trực tiếp bằng xy-lanh thủy lực, dễ dàng bố trí và lắp đặt.
Khi dùng xy-lanh thủy lực thì hiệu suất sẽ cao hơn rất nhiều so với cách chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khi dùng động cơ điện, khí nén hay thủy lực.
Lực tạo ra bởi xy-lanh thủy lực sẽ duy trì không đổi kể từ khi bắt đầu cho đến khi kết thúc hành trình hoạt động của xy-lanh.
Tốc độ của piston phụ thuộc vào lưu lượng dầu vào và diện tích tác động; nó cũng là một hằng số trong suốt hành trình.
Tùy thuộc vào chủng loại, xy-lanh thủy lực có thể tạo ra lực kéo hoặc lực đẩy phù hợp với hầu hết các ứng dụng trong thực tế.
Với cùng công suất ra cho các máy công cụ thì thiết bị thủy lực có kích thước thiết bị nhỏ hơn so với các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng khác.

Các chuyển động nâng, hạ, khóa, vận chuyển tải là các ứng dụng chính của xy-lanh thủy lực.

Phân loại:

Theo số chiều tác dụng, có thể chia xy-lanh thủy lực thành 2 loại sau đây:

Xy-lanh tác động đơn (tác động một phía). Chất lỏng làm việc chỉ tác động ở một phía của piston, tạo nên chuyển động một chiều.
Xy-lanh tác động kép (tác động hai phía). Chất lỏng làm việc tác dụng lên cả hai phía của piston, tạo nên chuyển động hai chiều.

2.1. Xy-lanh tác động đơn

Nguyên lý và ký hiệu như hình 1.

Hình 1. Xy-lanh tác động đơn.

Xy-lanh tác động đơn chỉ có thể tạo ra lực về một phía. Piston chỉ có thể trở về bởi tác dụng của lực lò xo hoặc ngoại lực.

Hình 2. Xy-lanh tác động đơn trở về nhờ tác dụng lò xo.

2.2. Xy-lanh tác động kép

Xy-lanh tác động kép có 2 đường ống dầu điều khiển riêng biệt. Khi cấp dầu điều khiển vào cửa “A” hoặc cửa “B”, piston sẽ chuyển động tạo lực kéo hoặc lực đẩy theo 2 hướng của hành trình. Hầu hết các ứng dụng sử dụng xy-lanh thủy lực dùng loại này.

Nhóm này có thể được chia làm 2 loại:

Xy-lanh có cần một phía (single rod cylinder).
Xy-lanh có cần hai phía (double rod cylinder).

2.2.1. Xy-lanh có cần một phía

Nguyên lý cơ bản như hình vẽ 3

Hình 3. Xy-lanh tác động kép có cần 1 phía.

Trong hầu hết các ứng dụng, người ta sử dụng loại xy-lanh tác động kép có cần 1 phía. Về cấu trúc, xy-lanh có 1 piston được nối cứng với cần piston có tiết diện nhỏ hơn piston. Với loại này, diện tích tác dụng là khác nhau ở 2 phía. Và do đó, với cùng một áp lực làm việc thì lực do xy-lanh tạo ra trong hành trình ra lớn hơn khi thực hiện hành trình vào. Nhưng tốc độ dịch chuyển thì ngược lại do thể tích 2 khoang làm việc khác nhau.

Để tránh tác động của xung lực lớn cuối hành trình người ta dùng các xy-lanh có giảm chấn cuối hành trình như hình 4

Hình 4. Xy-lanh tác động kép có giảm chấn cuối hành trình.

2.2.2. Xy-lanh có cần hai phía

Nguyên lý cơ bản như hình vẽ 5

Hình 5. Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía.

Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía có một piston và được nối cứng với 2 cần piston về 2 phía. Các cần piston có tiết diện bằng nhau và nhỏ hơn tiết diện của piston. Lực tác động phụ thuộc vào diện tích tác dụng và áp lực hoạt động của hệ thống. Với kết cấu loại này, lực và tốc độ dịch chuyển của xy-lanh là như nhau ở 2 phía.

Trong một số ứng dụng đặc biệt, xy-lanh tác động kép có cần 2 phía có thể được chế tạo với tiết diện của cần piston là khác nhau như hình vẽ 4.

Hình 6. Xy-lanh tác động kép có cần 2 phía với tiết diện khác nhau.

Với loại này, lực và tốc độ của piston tỷ lệ với sự sai khác tiết diện của cần piston.

2.3. Xy-lanh đặc biệt

2.3.1. Xy-lanh nối đôi (Tandem cylinders)

Hình 7. Xy-lanh nối đôi.

Loại xy-lanh này thực chất là 2 xy-lanh nối lại với nhau theo cách cần piston của xy-lanh thứ nhất đẩy piston của xy-lanh thứ 2. Với cách thiết kế này, lực tác dụng được tăng lên đáng kể dù tiết diện piston và cần piston nhỏ. Tuy nhiên, loại này cần chiều dài lớn trong lắp đặt.

2.3.2. Xy-lanh lồng (Telescopic cylinder)

Muốn có hành trình làm việc của piston lớn người ta dùng xy-lanh lồng. Xy-lanh lồng khác xy-lanh “thông thường” ở chỗ chúng chỉ cần một không gian lắp đặt rất nhỏ khi thu về so với xy-lanh “thông thường” có cùng hành trình làm việc. Không gian lắp đặt được giảm đi nhờ vào cấu trúc cần piston lồng vào nhau của xy-lanh. Chiều dài xy-lanh khi thu về có thể bằng một nửa hoặc nhiều hơn.

Xy-lanh lồng được dùng trong cơ cấu nâng hạ thủy lực, bệ nâng, xe nâng, …

2.3.3. Xy-lanh lồng tác động đơn (Single acting telescopic cylinders)

Nếu xy-lanh được cung cấp tín hiệu vào cửa vào thì các piston sẽ dịch chuyển tuần tự. Áp lực điều khiển phụ thuộc vào tải và diện tích tác dụng của piston xy-lanh. Do đó, piston có diện tích tác dụng lớn nhất sẽ chuyển động ra trước.

Với cùng một giá trị áp lực và lưu lượng dầu điều khiển không đổi thì piston dịch chuyển ra với lực tác động lớn nhất cùng tốc độ thấp nhất và kết thúc với chuyển động với lực nhỏ nhất cùng tốc độ cao nhất.

Hình 8. Xy-lanh lồng tác động đơn.

– Điều khiển xy-lanh dịch chuyển ra:

Dầu áp lực cao từ nguồn qua van điều khiển đưa vào cửa A của xy-lanh. Nếu trong khoang làm việc B của xy-lanh có lẫn không khí thì lượng khí này sẽ xả ra ngoài qua cửa thoát khí C.
Nói chung, việc thoát khí chỉ cần thiết trong khi khởi động ban đầu hoặc với hệ thống cho phép khí vào trong dầu thủy lực.

– Điều khiển xy-lanh dịch chuyển vào:

Xy-lanh tác động đơn thực hiện hành trình vào nhờ tác động của trọng lượng piston hoặc tác động cơ khí bên ngoài (lực F).
Với điều kiện hoạt động bình thường thì piston có diện tích tác dụng nhỏ nhất được đẩy vào trước, đẩy dầu thủy lực trong khoang làm việc ra ngoài qua cửa A, sau đó là đến piston có diện tích nhỏ nhất kế tiếp.

2.3.4. Xy-lanh lồng tác động kép (Double acting telescopic cylinders)

Với xy-lanh lồng tác động kép thì xy-lanh thực hiện hành trình ra tương tự như xy-lanh tác động đơn. Trình tự thực hiện hành trình ra phụ thuộc vào độ lớn diện tích tác dụng và tải của xy-lanh. Piston có diện tích tác dụng lớn nhất sẽ trở về trước khi có tín hiệu dầu điều khiển vào cửa “B”.

Hình 9. Xy-lanh lồng tác động kép.

2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của xy-lanh thủy lực

Dưới đây là sơ đồ cấu tạo các bộ phận của một xy-lanh thủy lực tiêu chuẩn.

Hình 10. Cấu tạo bên trong của xy-lanh thủy lực.

Cấu tạo gồm các phần tử chính cơ bản sau:

Cần piston.
Cover.
Guide bush.
Cylinder head.
Thân xy-lanh.
Cushioning bush.
Piston.
Cylinder cap.
Damping ring.
Nut.
Tie rod.
Bộ gioăng phớt làm kín (Wiper, Piston rod seal, Piston seal, O-ring, Guide ring).

Nguyên lý hoạt động dựa trên các phương trình sau:

Trong đó

P = áp suất dầu vào xy-lanh
F = lực sinh ra trên cần piston
A = tiết diện piston
Q = lưu lượng dầu vào xy-lanh
v = vận tốc piston

Diện tích piston có thể tính theo công thức:

Phía không có cần piston:

Phía có cần piston:

Với D là đường kính piston, d là đường kính cần piston.

Một đại lượng quan trọng khác là hiệu suất của xy-lanh. Nếu như các đệm kín không hở, có thể xem hiệu suất thể tích η_v bằng 100% .Nói cách khác, nếu như có sự rò rỉ dù ở trong hay ở ngoài xy-lanh thì nó vẫn bị xem như có khuyết tật. Hiệu suất cơ khí η_m phụ thuộc vào loại đệm kín mà người ta sử dụng cũng như vào độ nhám của cần piston và vách trong của thành xy-lanh, nó cũng phụ thuộc khá nhiều vào áp suất hoạt động.

Dưới đây là các giá trị thông thường:

p	20	120	160
η_m	0.85	0.90	0.92

Từ bảng trên ta thấy, hiệu suất tăng khi áp suất tăng. Điều này có thể giải thích: Mặc dù tổn thất do ma sát tăng khi áp suất tăng nhưng % của tổn thất do ma sát so với sức nâng là giảm.

3. Động cơ thủy lực

Hình 11. Ký hiệu động cơ thủy lực trên bản vẽ.

Phân loại:

Động cơ cánh gạt
Động cơ piston hướng kính và hướng trục
Động cơ bánh răng

3.1. Động cơ bánh răng

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động được minh họa như hình vẽ 12

Hình 12. Nguyên lý hoạt động động cơ bánh răng.

Thông số đặc trưng cho động cơ bao gồm:

Q – lưu lượng (l/min)
M – momen (Nm)
P – công suất (kW)
V – (cm³/rev)
n – tốc độ
Δp – áp suất (bar)

Hiệu suất:

η_v – hiệu suất thể tích (khoảng 0,97)
η_m – hiệu suất cơ khí (khoảng 0,88)
η_t – hiệu suất tổng; η_t = η_v + η_m (khoảng 0,85)

Các công thức tính toán cho động cơ:

Cấu trúc động cơ như hình vẽ 13 sau:

Hình 13. Cấu trúc động cơ.

3.2. Động cơ cánh gạt

Chuyển động quay của trục động cơ được tạo ra bởi sự chênh lệch áp suất dầu thủy lực chạy qua động cơ do tạo ra lực tác động lên các cánh gạt trong rotor. Lực này tác động theo phương tiếp tuyến với rotor và làm cho rotor quay, truyền chuyển động quay ra trục động cơ.

Nếu dầu thủy lực được cấp vào động cơ qua cửa của thân động cơ (như hình vẽ 14 phải) thì trục động cơ sẽ quay theo cùng chiều kim đồng hồ. Ngược lại, nếu dầu áp lực được cấp vào cửa vỏ động cơ thì chiều quay của trục là theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (như hình vẽ 14 trái). Việc chuyển đổi đường cấp nguồn dầu áp lực được thực hiện bởi các van điều khiển hướng.

Hình 14. Nguyên lý hoạt động động cơ cánh gạt.

3.3. Động cơ piston

3.3.1. Động cơ piston hướng trục

Hình 15. Các kiểu động cơ piston hướng trục.

Hình 16. Cấu tạo động cơ.

3.3.2. Động cơ piston hướng kính

Hình 17. Cấu tạo ngoài và kí hiệu động cơ.

Hình 18. Cấu tạo bên trong động cơ.

Hình 19. Nguyên lý hoạt động.

Video mô tả hoạt động các loại động cơ.