Phân tích và thiết kế mạch thủy lực

Một mạch thủy lực bao gồm một tổ hợp các phần tử như bơm, các cơ cấu thực hiện, các van điều khiển,… kết hợp với nhau để thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Khi phân tích hoặc thiết kế một mạch thủy lực, cần chú ý các yêu cầu sau:

Hoạt động an toàn.
Thực hiện được các chức năng yêu cầu.
Hoạt động hiệu quả.

Mạch thủy lực bao gồm ký hiệu của các phần tử thủy lực liên kết với nhau mô tả đầy đủ bản chất của một hệ thống thủy lực tương ứng. Do đó để hiểu mạch thủy lực yêu cầu phải nắm rõ các ký hiệu của các phần tử thủy lực.

1. Điều khiển xy-lanh tác động đơn

Một van điều khiển hướng hồi lò xo, tác động tay, 3 cửa, 2 vị trí có thể được dùng để điều khiển một xy-lanh tác động đơn. Ở vị trí lò xo hồi tác động thì toàn bộ lưu lượng hồi về két qua van tràn, lò xo của piston đẩy piston vào và nén dầu trong xy-lanh về két. Khi tác động ON lên cần điều khiển thì dầu cấp vào xy-lanh. Khi piston ra hết thì lưu lượng qua van tràn về két. Tác động OFF lên cần điều khiển thì piston lại rút về dưới tác động của lực lò xo.

Hình 1. Điều khiển xy-lanh tác động đơn.

Video mô phỏng nguyên lý:

2. Điều khiển xy-lanh tác động kép

Mô tả mạch điều khiển xy-lanh tác động kép. Hoạt động của mạch này như sau:

Khi van 4 cửa ở vị trí trung tính (lò xo giữa), xy-lanh bị khóa thủy lực. Bơm hoạt động ở chế độ không tải đưa dầu về két.A
Khi tác động lên cần điều khiển bên trái của van 4 cửa, dầu từ cửa P qua cửa A tác động xy-lanh thực hiện hành trình ra (ngược chiều với lực tác động của tải), dầu ở phần bên phải của xy-lanh hồi tự do về két qua cửa B và T. Chú ý rằng xy-lanh không thể ra hết nếu như lượng dầu này không được hồi về két.
Khi tác động một lần nữa lên cần điều khiển bên trái của van 4 cửa này thì lò xo giữa sẽ tác động khoá thủy lực xy-lanh.
Khi tác động lên cần điều khiển bên phải của van 4 cửa, dầu từ cửa P qua cửa B tác động thực hiện hành trình về của xy-lanh. Dầu ở phần bên phải của xy-lanh hồi về két qua cửa A, T.
Cuối mỗi hành trình, nếu không có lệnh điều khiển thì dầu từ bơm sẽ hồi về két qua van tràn khi áp suất ra của bơm vượt quá giá trị đặt của nó. Trong một vài trường hợp van này bảo vệ quá tải cho xy-lanh.
Van một chiều bảo vệ không cho xy-lanh rút về khi lực tải vượt quá lực tác động của xy-lanh.

Hình 2. Điều khiển xy-lanh tác động kép.

Video mô phỏng nguyên lý:

3. Mạch hồi tiếp

Hình 3. Mạch hồi tiếp.

Video mô phỏng nguyên lý:

Mạch hồi tiếp được sử dụng để tăng tốc độ hành trình ra của xy-lanh tác động kép. Chú ý rằng cả 2 đầu của xy-lanh thủy lực được nối song song và như thế một cửa của van điều khiển bị đóng lại. Khi tác động lên cần điều khiển bên trái, xy-lanh dịch chuyển ra. Tốc độ ra của xy-lanh lớn hơn so với xy-lanh tác động kép thông thường vì lưu lượng tác động lúc này bằng tổng lưu lượng của bơm và lưu lượng hồi về từ phần bên phải của xy-lanh.

4. Mạch không tải của bơm

Mạch này sử dụng van không tải để điều khiển bơm hoạt động ở chế độ không tải. Van không tải mở khi xy-lanh ở cuối hành trình ra vì van một chiều giữ dầu áp suất cao trong đường điều khiển của van không tải. Khi van điều khiển hướng tác động dịch xy-lanh vào, chuyển động của piston làm giảm áp suất trong đường điều khiển của van không tải. Điều này hoàn nguyên cho van không tải cho đến khi xy-lanh vào hết. Vì vậy, van không tải điều khiển bơm hoạt động ở chế độ không tải ở cuối cả 2 hành trình.

Hình 4. Mạch không tải của bơm.

Video mô phỏng nguyên lý:

5. Hệ thống 2 bơm

Hình 5 vẽ mạch sử dụng một bơm lưu lượng thấp, áp suất cao kết hợp với một bơm lưu lượng cao, áp suất thấp. Một ứng dụng điển hình là máy đột dập trong đó búa dập phải thực hiện hành trình ra nhanh qua một khoảng cách lớn với yêu cầu lưu lượng cao, áp suất thấp. Tuy nhiên, tại thời điểm dập thì yêu cầu áp suất phải cao. Vì hành trình của xy-lanh khi dập rất nhỏ nên yêu cầu về lưu lượng thấp.

Hình 5. Hệ thống 2 bơm.

Video mô phỏng nguyên lý:

Trên hình vẽ không cần phải dùng một bơm lưu lượng cao, áp suất cao đắt tiền. Khi bắt đầu thao tác dập, áp suất tăng mở van không tải điều khiển bơm áp suất thấp hoạt động không tải, mục đích của van tràn là bảo vệ bơm áp suất cao khỏi bị quá áp ở cuối mỗi hành trình. Van một chiều bảo vệ cho bơm áp suất thấp khỏi bị áp suất cao tống vào, điều này xảy ra trong khi dập, tại cuối mỗi hành trình của xy-lanh và khi van điều khiển hướng ở vị trí trung tính.

6. Mạch khuếch đại áp suất

Hình 6. Mạch khuếch đại áp suất.

Một phương pháp để loại bỏ bơm lưu lượng thấp, áp suất cao khi đột dập là sử dụng bộ khuếch đại áp suất. Áp suất rất cao có thể được tạo ra bằng một bộ khuếch đại áp suất với một bơm áp suất thấp. Bộ khuếch đại được đặt càng gần với đường ống áp suất cao càng tốt.

Khi áp suất trong xy-lanh đạt đến giá trị đặt của van chỗi (3) thì bộ khuếch đại áp suất (1) bắt đầu hoạt động. Cửa ra áp suất cao của bộ khuếch đại đặt gần với van một chiều có điều khiển và phía piston thực hiện dập. Van một chiều điều có khiển được sử dụng thay cho van một chiều thông thường cho phép thực hiện hành trình về của xy-lanh.

7. Mạch giữ thăng bằng xy-lanh

Hình 7. Ứng dụng van đối trọng.

Video mô phỏng nguyên lý:

Việc sử dụng van đối trọng để giữ xy-lanh trong trạng thái thẳng đứng khi bơm không tải. Van đối trọng được đặt để mở một áp suất đủ để giữ piston. Điều này cho phép xy-lanh được ấn xuống khi có áp suất tác động lên phía trên. Van điều khiển hướng mở ở vị trí trung tính điều khiển bơm không tải. Van điều khiển hướng là một van điện từ, lò xo trung tâm, mở ở vị trí trung tính.

8. Mạch chuỗi xy-lanh thủy lực

Van chuỗi có thể tạo ra mạch thủy lực tác động theo chuỗi. Hình 8 là một ví dụ về mạch này trong đó sử dụng 2 van chuỗi để điều khiển chuỗi hoạt động của 2 xy-lanh tác động kép. Khi van điều khiển hướng dịch theo khoang trái, xy-lanh trái thực hiện hết hành trình ra, sau đó xy-lanh phải thực hiện hành trình ra. Khi van điều khiển hướng dịch theo khoang phải thì xy-lanh phải rút vào hết, sau đó xy-lanh trái rút vào. Chuỗi thao tác các xy-lanh này được điều khiển bằng các van chuỗi. Vị trí trung tính của van điều khiển hướng khóa cả 2 xy-lanh.

Hình 8. Mạch chuỗi xy-lanh thủy lực.

Video mô phỏng nguyên lý:

9. Mạch tịnh tiến xy-lanh

Hình 9 là một mạch tạo ra chuyển động tịnh tiến liên tục một xy-lanh thủy lực. Điều này được thực hiện nhờ 2 van chuỗi, mỗi van cảm biến vị trí cuối hành trình bằng sự tăng áp suất tương ứng. Mỗi van một chiều và đường điều khiển tương ứng chống sự tác động của van 4 cửa cho đến khi một hành trình riêng biệt của xy-lanh hoàn tất. Van một chiều này là cần thiết để cho phép dầu điều khiển ra khỏi một phía của van điều khiển hướng trong khi có áp suất điều khiển ở phía còn lại.

Hình 9. Hệ thống tịnh tiến xy-lanh tự động.

10. Mạch khóa xy-lanh bằng cách sử dụng van 1 chiều có điều khiển

Hình 10. Khóa xy-lanh bằng van 1 chiều có điều khiển.

Trong nhiều ứng dụng thực tế, nhiều khi cần phải khóa xy-lanh để cho vị trí piston của nó không bị dịch chuyển do bị ngọai lực tác động lên cần piston. Hình 10 trình bày phương pháp khóa xy-lanh dùng van một chiều. Khi có ngoại lực tác động lên cần piston, piston sẽ không bị dịch chuyển do có dòng lưu lượng ngược qua van một chiều tác động.

11. Mạch đồng bộ hai xy-lanh

Hình 11 là mạch đồng bộ hai xy-lanh, tuy nhiên để hai xy-lanh hoạt động đồng bộ yêu cầu hai xy-lanh này phải hoàn toàn giống nhau và tải tác động lên hai xy-lanh này cũng phải giống nhau. Nếu tải không hoàn toàn giống nhau (trường hợp này thường xảy ra trong thực tế) thì xy-lanh có tải nhẹ hơn sẽ thực hiện hành trình ra trước vì nó dịch chuyển dưới một áp suất nhỏ hơn. Sau khi xy-lanh này đã hoàn tất hành trình của nó, áp suất của hệ thống sẽ tăng đến mức cao hơn đủ để xy-lanh có tải lớn hơn dịch chuyển. Trong thực tế hiếm khi có hai xy-lanh hoàn toàn giống nhau do đó mạch bên dưới là mạch không khả thi.

Hình 11. Mạch đồng bộ hai xy-lanh không khả thi.

Hình 12 trình bày mạch đơn giản đồng bộ hai xy-lanh, chất lỏng từ bơm được phân phối tới một đầu của xy-lanh 1 và chất lỏng từ đầu còn lại của xy-lanh 1 đến một đầu của xy-lanh 2 và chất lỏng từ đầu còn lại của xy-lanh 2 về két. Vì vậy, các xy-lanh được mắc nối tiếp. Để cho xy-lanh đồng bộ với nhau thì diện tích của piston 2 phải bằng diện tích của xy-lanh 1 với diện tích chiếm chổ của cần piston. Chú ý rằng bơm phải cung cấp đủ áp suất để đẩy được tải của hai xy-lanh.

Ta có:

P₁A_P1 − P₂(A_P2 − A_R1) = F₁

P₂A_P2 − P₃(A_P2 − A_R2) = F₂

Kết quả là:

P₁A_P1 = F₁ + F₂

Hình 12. Mạch đồng bộ hai xy-lanh.

Video mô phỏng nguyên lý:

12. Các mạch bảo vệ

Mạch bảo vệ là mạch được thiết kế để bảo vệ an toàn cho người vận hành và bảo vệ cho thiết bị khỏi bị hỏng hóc. Hình 14 là mạch bảo vệ an toàn cho xy-lanh khi đường ống thủy bị vỡ hoặc khi người vận hành vô ý tác động lên van khi bơm không hoạt động.

Hình 13. Mạch bảo vệ quá tải.

Hình 14. Mạch bảo vệ xy-lanh.

13. Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực

Hình 15. Điều khiển tốc độ động cơ thủy lực dung van điều khiển lưu lượng.

Video mô phỏng nguyên lý:

Nguyên lý hoạt động như sau:

Ở tại vị trí không của van 4 ngã. Động cơ thủy lực bị khóa.
Khi van bốn ngã tác động sang bên trái, động cơ quay theo một chiều. Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách điều chỉnh độ mở của van tiết lưu. Tốc độ của động cơ được giới hạn thông qua van giảm áp.

Khi van 4 ngã tác động ngược lại động cơ dừng tức thời và bị khóa.
Khi van bốn ngã tác động sang bên phải, động cơ quay theo một chiều ngược lại.

Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách điều chỉnh độ mở của van tiết lưu.Van giảm áp dùng để bảo vệ quá tải.

14. Hãm động cơ thủy lực

Khi sử dụng động cơ thủy lực trong hệ thống thủy lực, cần xem xét loại tải mà động cơ phải lai. Một động cơ thủy lực có thể lai máy có quán tính lớn. Điều này sẽ tạo ra mô men cản trên trục động cơ và việc ngắt lưu lượng dầu đến động cơ sẽ là nguyên nhân mà nó làm việc như một bơm. Trong trường hợp này mạch được thiết kế để cung cấp dầu đến động cơ trong khi bơm đã cách ly. Dầu được tạo từ động cơ thẳng về két hoặc qua van giảm áp. Điều này sẽ cho phép dừng động cơ nhanh nhưng không làm ảnh hưởng đến hệ thống. Hình 16 mạch điều khiển động cơ thỏa mãn yêu cầu.

Hình 16. Hệ thống hãm động cơ thủy lực.

Video mô phỏng nguyên lý:

15. Mạch chuyển đổi khí – thủy

Hình 17. Mạch khí- thủy lực.

Lưu lượng khí nén qua bộ lọc, qua bộ hiệu chỉnh, bộ bôi trơn (FRL) vào két tăng áp qua van điều khiển hướng. Két tăng áp được nén bởi máy nén khí. Khí đẩy dầu ra khỏi đáy của két tăng áp và đến xy-lanh thủy lực qua van một chiều và khe giới hạn song song. Dầu này sẽ làm cho xy-lanh thực hiện hành trình ra để nâng tải. Khi van điều khiển hướng dịch chuyển sang chế độ lưu lượng thấp hơn, xy-lanh thực hiện hành trình vào ở một tốc độ nào đó tùy thuộc vào độ mở của van tiết lưu và khí được thoát ra ngoài khí quyển qua van điều khiển hướng. Tải dừng lại tại vị trí không nhờ lò xo của van điều khiển hướng.

16. Hệ thống khuếch đại khí – thủy

Mạch này điều khiển một xy-lanh dịch chuyển một khoảng cách lớn ở áp suất thấp và sau đó dịch chuyển một khoảng cách nhỏ ở áp suất cao. Hỗn hợp khí này dùng để đẩy kéo xy-lanh trong khu vực áp suất thấp của chu kỳ. Hoạt động của hệ thống này như sau: Van 1 đẩy và kéo xy-lanh sử dụng nguồn khí cungcấp bởi nguồn áp lực hoạt động bình thường. Van 1 cấp áp lực khí đến đầu của bộ khuếch đại. Bộ khuếch đại này tạo ra áp lực dầu cao tại đáy của bộ khuếch đại. Tác động điều khiển van 1 cho khí trực tiếp đến két đẩy. Két này tạo ra một lực lên phía đỉnh của bộ khuếch đại cân bằng với áp lực tại đáy của xy-lanh.

Hình 18. Mạch khuếch đại khí thủy lực.

Khi xy-lanh mang tải, tác động điều khiển lên van 2, van này sẽ gửi nguồn khí đến đỉnh của bộ khuếch đại. Dầu có áp suất lớn không thể hồi về két đẩy bởi vì cửa này bị khóa do cấu trúc phía dưới của piston khuếch đại. Do đó, xy-lanh nhận dầu áp suất cao tại ở vùng đáy để thắng được tải. Khi van 2 ngừng tác động, nguồn khí bị khóa, và đỉnh của bộ khuếch đại sẽ thông ra khí quyển. Kết thúc một phần áp suất cao của chu kỳ. Khi van 1 ngừng tác động, khí trong két đẩy thoát ra ngoài và nguồn khí này trực tiếp đến két hồi. Két này sẽ đẩy dầu vào mặt đáy cần của xy-lanh, làm cho xy-lanh đi vào. Và dầu ra được đưa vào đáy của bộ khuếch đại thủy lực và lưu lượng hồi về két đẩy. Hoàn thành 1 chu kỳ hoạt động.