Chức năng chính của một hệ thống chấp hành là tác động lên đối tượng cần điều khiểnđể đạt được mục đích mong muốn. Chức năng đó có thể thực hiện được nhờ hệ thống cơcấu chấp hành có khả năng chuyển năng lượng sơ cấp sang dạng năng lượng cơ học cuốicùng.Ba dạng năng lượng chính mà hệ thống cơ cấu chấp hành sử dụng là: điện, thuỷ năng,và khí nén. Dạng năng lượng thứ nhất tương ứng với cơ cấu chấp hành điện như: động cơđiện, cuộn cảm, và các nam châm điện. Hai dạng năng lượng còn lại tương ứng với các xilanh (động cơ tuyến tính) hoặc động cơ quay, cơ bản tương tự về hình dạng và kíchthước. Sự chuyển động tương ứng của chúng được điều khiển nhờ tác động của lưu chấtkhông nén được (dầu thuỷ lực, dầu thô, hoặc một dạng chất lỏng với độ nhớt thấp hơn)hoặc lưu chất (fluid) nén được (khí nén hoặc khí gas nói chung).
Trang 1Chức năng chính của một hệ thống chấp hành là tác động lên đối tượng cần điều khiển
để đạt được mục đích mong muốn Chức năng đó có thể thực hiện được nhờ hệ thống cơ cấu chấp hành có khả năng chuyển năng lượng sơ cấp sang dạng năng lượng cơ học cuối cùng
Ba dạng năng lượng chính mà hệ thống cơ cấu chấp hành sử dụng là: điện, thuỷ năng,
và khí nén Dạng năng lượng thứ nhất tương ứng với cơ cấu chấp hành điện như: động cơ điện, cuộn cảm, và các nam châm điện Hai dạng năng lượng còn lại tương ứng với các xi lanh (động cơ tuyến tính) hoặc động cơ quay, cơ bản tương tự về hình dạng và kích thước Sự chuyển động tương ứng của chúng được điều khiển nhờ tác động của lưu chất không nén được (dầu thuỷ lực, dầu thô, hoặc một dạng chất lỏng với độ nhớt thấp hơn) hoặc lưu chất (fluid) nén được (khí nén hoặc khí gas nói chung)
Ngoài ra còn có các dạng năng lượng khác nhưng ít thông dụng hơn trong các hệ thống
tự động Ví dụ như, năng lượng hoá học và nhiệt năng gây ra sự chuyển pha của vật liệu hay sự giãn nở nhiệt động lực của hệ thống thành chuyển động cơ học
Dưới đây ta sẽ xét các đặc tính của các hệ servo thủy lực và khí nén cho phép điều khiển liên tục một trong hai đại lượng vật lý đặc trưng cho năng lượng của dòng lưu chất
là áp suất và lưu lượng Thông thường, việc điều khiển áp suất được áp dụng trong những trường hợp cần phải tạo ra quy luật của lực hoặc mômen, trong khi đó việc điều khiển lưu lượng thường dùng để điều khiển độ lớn các đại lượng động học như vị trí, tốc độ và gia tốc
Điều khiển liên tục lực hoặc tốc độ có thể được thực hiện một cách hiệu quả nhờ có cơ cấu chấp hành lưu chất, với những ưu điểm dễ thấy so với các cơ cấu chấp hành điện là khả năng duy trì hệ thống dưới tải không giới hạn với các thiết bị điều khiển phù hợp; khả năng thực hiện các di chuyển tuyến tính trực tiếp ở tốc độ cao không cần các thiết bị biến
Trang 2chuyển động quay thành tuyến tính và có dải hoạt động rộng, đặc biệt các hệ thống thuỷ lực có kích thước giới hạn và quán tính thấp
Hệ thống chấp hành thuỷ lực và khí nén
Hệ thống chấp hành là một phần trong các máy tự động, bao gồm phần công suất và phần điều khiển được minh hoạ trong hình 20.86 Phần công suất gồm các thiết bị tác động đến hoạt động di chuyển của hệ thống Phần điều khiển thực hiện quá trình xử lý thông tin theo vòng kín với luật điều khiển được thiết lập dựa trên tín hiệu mẫu và tín hiệu từ cảm biến nằm trên phần vận hành Các tín hiệu lệnh từ phần điều khiển được gửi tới phần vận hành nhờ các thiết bị trung gian, các thiết bị này có nhiệm vụ chuyển và khuếch đại các tín hiệu (khi cần thiết) sao cho các cơ cấu chấp hành có thể sử dụng trực tiếp các tín hiệu này Các phần trung gian có thể là bộ truyền động tốc độ, phần tiếp xúc của các động cơ điện hay các van phân phối trong các cơ cấu chấp hành thuỷ lực hoặc khí nén Hình 20.87 mô tả hoạt động của một hệ thống chấp hành dạng này Phần công suất
là bộ phận chấp hành - trong hình vẽ là xilanh kép - phần đầu và phần sau khoang xilanh được nối với van phân phối 4/2, có chức năng điều chỉnh công suất dòng lưu chất
Lệnh chuyển van là lệnh từ phần điều khiển Lệnh này được đưa ra căn cứ theo kế hoạch chuyển động và vòng vận hành mong muốn của xilanh, dựa trên những tín hiệu phản hồi từ các cảm biến trong xilanh - được mô tả trong hình vẽ dưới dạng các công tắc giới hạn
Các hệ thống chấp hành có thể có dạng không liên tục và liên tục tùy thuộc vào loại hình tự động hoá nhưng đều gồm phần điều khiển và phần cơ cấu chấp hành Hệ thống chấp hành không liên tục sẽ rất hiệu quả khi chúng được ứng dụng trong loại hình tự động hoá không liên tục, điển hình như dây chuyền lắp ráp và dây chuyền xử lý các bộ phận máy móc; nói một cách khác, các hệ thống cơ cấu chấp hành liên tục được ứng dụng
trong các quá trình xử lý liên tục, các thiết bị điều khiển tương tự cho các hệ servo
HÌNH 20.86 Hệ thống chấp hành
HÌNH 20.87 Hệ thống chấp hành dùng năng lượng lưu chất
Trang 320-3
HÌNH 20.88 Sơ đồ của một hệ thống servo dùng năng lượng lưu chất
Các cơ cấu chấp hành thuỷ lực hay khí nén, hoặc có dạng tịnh tiến (xilanh) hoặc dạng quay (động cơ) là các hệ thống liên tục bởi chúng có thể xác định vị trí của các phần di động (của tay đòn ứng với trường hợp xilanh; của trục ứng với trường hợp là động cơ) ở mọi điểm trong quá trình chuyển động Sự hoạt động của xilanh và động cơ chịu ảnh hưởng lớn của ma sát (tĩnh và động) tại nơi tiếp xúc giữa các phần di động Ảnh hưởng của ma sát do việc thay đổi các điều kiện ma sát và độ dính trong chuyển động của các phần di động trong cơ cấu chấp hành làm tăng khả năng xảy ra hiện tượng trượt đặc biệt trong các hệ thống khí nén, hoặc các chuyển động không liên tục ở các tốc độ di chuyển rất thấp
Khi tính đến ảnh hưởng của ma sát, sự có mặt của các thiết bị làm điểm tựa cho các phần di động của cơ cấu chấp hành và duy trì điều kiện áp suất chuẩn như giá đỡ, vòng đệm sẽ làm tăng độ phi tuyến tại ví trí cân bằng của cơ cấu chấp hành và làm cho việc định vị hệ thống rất khó đạt được độ chính xác cao Để khắc phục vấn đề này trong một
số ứng dụng cụ thể, cần sử dụng cơ cấu chấp hành không có vòng bịt kín ví dụ như
trường hợp các ổ trục đỡ thuỷ tĩnh và thuỷ động (fluid static, fluid dynamic bearing).
Các phần tử trung gian như van phân phối trong hình vẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chế độ hoạt động của cơ cấu chấp hành Trong trường hợp thực tế, khi nó chỉ chuyển động qua lại, với vị trí của cơ cấu chấp hành ở điểm cuối hành trình, thường dùng van phân phối dạng số có từ 2 đến 3 vị trí, hình 20.87
Nói cách khác, khi cần điều khiển liên tục vị trí và lực truyền, cần dùng các thiết bị liên tục như các van tỉ lệ và van servo hoặc dùng các thiết bị số kết hợp với điều biến tín hiệu,
ví dụ các bộ điều khiển đô rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Do vậy, hệ thống chấp hành thuỷ lực hoặc khí nén là một hệ thống có phản hồi (hệ thống servo) với sơ đồ hoạt động như hình 20.88 Cấu trúc thực tế của cơ cấu chấp hành servo thuỷ lực dạng tịnh tiến có sơ đồ hoạt động như hình 20.88 được chỉ ra trong hình 20.89 Cơ cấu chấp hành này là một thiết bị độc lập gồm có xilanh, van và bộ chuyển đổi
vị trí
Hệ thống chấp hành lưu chất có điều khiển là một hệ cơ điện tử điển hình Nó là sự kết hợp của các phần cơ khí, thuỷ lực, các thiết bị điều khiển và cảm biến; và nó thường đòi hỏi phải có quá trình mô phỏng để xác định kích thước và đặc tính của các phần tử khác nhau sao cho chúng phù hợp với các đặc tính mong muốn
Ký hiệu chuẩn của các thành phần khác nhau trong hệ thống thuỷ lực và khí nén cũng như các định nghĩa về các mạch phụ trợ được xác định theo chuẩn ISO 1219 “Các thành phần của hệ thống năng lượng thuỷ lực, khí nén - ký hiệu hình học và các sơ đồ mạch; Phần 1: Ký hiệu hình học, Phần 2: Sơ đồ mạch”
Trang 4Hai dạng phổ biến thường dùng trong các ứng dụng hiện nay là: hệ thống servo thuỷ lực trong đó lưu chất tồn tại dưới dạng chất lỏng và hệ thống servo khí nén, trong đó lưu chất tồn tại dưới dạng khí nén Áp suất làm việc của hệ thống servo thuỷ lực thường có giá trị trong khoảng từ 150 đến 300 bar, trong khi đó với các hệ thống khí nén áp suất này
là dưới 10 bar
Nhóm các hệ thống servo thuỷ lực sử dụng các loại dầu - các loại lưu chất có độ nhớt cao cho các hệ thống servo yêu cầu ấp suất điều khiển cao và các chất dễ cháy như xăng dầu cho ngành ô tô và hàng không (JPA, JPB,…), được ứng dụng trong các mạch nhiên liệu của các động cơ đốt cháy Các hệ thống servo khác sử dụng chất lỏng truyền lực được dùng cho công nghiệp và hàng hải.
HÌNH 20.89 Hệ thống servo thủy lực dạng xi lanh
Các hệ thống servo khí nén được ứng dụng trong công nghiệp, tự động hoá sản suất, tự động hoá quá trình, giao thông: hàng không, đường biển, đường bộ, đường sắt Khí nén trong những ứng dụng nêu trên được tạo ra bởi máy nén lấy không khí từ môi trường Trong các ứng dụng khác, lưu chất làm việc không phải là khí nén mà là khí gas đặc biệt Hiện có những hệ thống servo dùng lưu chất đông lạnh được dùng trong các phương tiện
đi lại và các hệ thống làm lạnh công nghiệp Bên cạnh đó còn có những hệ thống servo dùng khí đốt (LPG mêtan, prôban) trong các ứng dụng gia dụng và dùng Nitơ trong các ứng dụng áp suất cao Từ những phân tích sơ bộ này, chúng ta nhận thấy rằng các hệ thống servo thủy lực và khí nén đã tham gia vào quá trình sản xuất sản phẩm và cùng với
Trang 520-5
cơ cấu servo điện trở thành bộ phận không thể thiếu trong quá trình sản xuất tự động hoá Ngoài ra, chúng còn đóng vai trò như các thiết bị phát động điều khiển được, tích hợp vào trong bản thân các sản phẩm Sau đây chúng ta sẽ xem xét các cơ cấu chấp hành servo được lắp đặt trong máy bay và ngày càng phổ biến trong các phương tiện giao thông
đường bộ hiện nay
Hệ thống chấp hành thủy lực
Thành phần của một hệ thống thủy lực gồm:
Bơm: là hệ thống tạo công suất thủy lực;
Cơ cấu chấp hành: là các phần tử chuyển năng lượng thủy lực sang năng lượng cơ học;
Van: là bộ điều chỉnh năng lượng thủy lực;
Ống nối: nối các thành phần của hệ thống chấp hành;
Bộ lọc, ắcquy, nguồn cung cấp;
Chất lỏng: là các chất truyền năng lượng giữa các phần tử khác nhau trong mạch;
Các cảm biến và bộ chuyển đổi;
Hệ thống hiển thị, đo lường và các thiết bị điều khiển
HÌNH 20.90 Phân loại bơm
Bơm
Bơm chuyển năng lượng điện và năng lượng cơ học sang dạng năng lượng thuỷ lực Chúng tạo ra dòng chất lỏng trong hệ thống thuỷ lực với áp suất được xác định bởi độ cản thuỷ lực theo hướng xuôi dòng từ phía phát Các dạng chính của bơm được giới thiệu trên hình 20.90
Các máy bơm ly tâm có công suất cao ở áp suất thấp Chúng không có các van trong nhưng có một khoảng trống lớn giữa phần quay và phần tĩnh để bảo đảm dòng chảy tĩnh phù hợp Ngược lại, những loại bơm được ứng dụng phổ biến như bơm thủy tĩnh hay bơm có độ dịch chuyển dương lại có áp suất cao với công suất hạn chế Chúng gồm các phần tử như các van và nắp phân chia khu vực công suất với khu vực đầu vào, chúng có thể đưa các xung vào dòng chảy trên đầu ra và thường cần sử dụng các chất lỏng có đặc tính bôi trơn và khả năng chịu tải cao để giảm ma sát giữa các phần trượt của bơm Có
Trang 6các dạng bơm có độ dịch chuyển không đổi và thay đổi Dạng chính của bơm thủy tĩnh hay bơm có độ dịch chuyển dương: là bánh răng, van quay và dạng piston
Bơm bánh răng
Bơm bánh răng có các dạng bánh răng ngoài, bánh răng trong, trục vít Ở tất cả các dạng đó, bơm đều gồm 2 bánh răng đặt trong vỏ sao cho khe hở giữa chúng là nhỏ nhất Hình 20.91 là sơ đồ của bơm với các bánh răng ngoài Các bánh răng quay ngược nhau
sẽ khiến dầu nằm trong khoảng không gian giữa răng và thành của bánh răng được truyền
từ chỗ thắt tới lối ra Tùy theo dạng răng, bơm bánh răng ngoài có các dạng: bánh răng trụ, bánh răng xoắn ốc và bánh răng cam
Các dạng bơm với bánh răng trong có chức năng tương tự như trên nhưng các bánh răng quay theo cùng một chiều Hình 20.92 mô tả cấu tạo của bơm 2 tầng (two-stage) Với bánh răng trục vít, có thể có một hay nhiều rotor, các phần tử có răng xoắn ốc tương
tự như đường ren xoáy trôn ốc của trục vít Chất lỏng được truyền trong trục theo chiều quay của trục vít Các dạng bơm này đảm bảo dòng chảy êm, giảm tiếng động, mức độ nhiễu thấp
Tốc độ quay thông thường trong khoảng giữa 1000 và 3000 vòng/phút, công suất từ 1
và 100 kW Áp suất có thể đạt đến 250 bar, ở các bơm bánh răng ngoài giá trị này còn cao hơn Dòng chảy là hàm của khoảng cách dịch chuyển của bơm và tốc độ góc đầu vào, với các giá trị từ 0.1 tới 1000 cm2/vòng quay Để tăng các giá trị này có thể dùng bơm kép Bơm bánh răng có hiệu suất cao, thường có giá trị trên dưới 90%
Bơm dạng van quay
Bơm van (Hình 20.93) thường gồm 1 stator và 1 rotor, có thể quay độc lập đối với các phần khác Các van có thể di chuyển trong các rãnh riêng đặt quanh stator hoặc rotor và phân cách bởi các thể tích thay đổi tương ứng
HÌNH 20.91 Bơm bánh răng trụ ngoài (hãng Casappa)
Trang 720-7
HÌNH 20.92 Bơm bánh răng trong (hãng Truninger)
Trong hình 20.93, cũng như trong hầu hết các cấu trúc, các van được đỡ bởi rotor có thể quay phía bên trong stator Việc quay dẫn đến sự di chuyển khối chất lỏng giữa 2 van liên tiếp nhau từ bên trong tới đầu vào của phần phát Dạng bơm này cho phép dải áp suất làm việc tới 100 bar và dòng chảy dao động thấp hơn, độ tĩnh lớn hơn nhiều so với các bơm dạng bánh răng
HÌNH 20.93 Bơm dạng van quay
HÌNH 20.94 Bơm pittông dạng trục (Bosch Rexroth)
Bơm pittông
Các bơm pittông có thể có một hoặc nhiều xilanh, mỗi xilanh có 1 pittông trượt trong
nó Sự di chuyển của khối chất lỏng từ trong ra ngoài xác định bởi khoảng di chuyển của pittông trong xilanh, cung cấp bởi các van vào ra hoặc các cửa Tuỳ theo dạng sắp xếp hình học của các xilanh tương ứng với trục quay của động cơ, các bơm piston được chia
ra bơm dạng trục (dạng bent axis và swash plate) và bơm hướng tâm Hình 20.94 mô tả
sơ đồ của 1 bơm piston dạng trục di chuyển khoảng cố định dạng swash plate Dải áp suất làm việc tương ứng của bơm pittông lớn hơn các dạng trước, có thể đạt tới áp suất trong dải 400-500 bar nhưng nhược điểm là có nhiều dòng chảy không đều hơn
Trang 8Cơ cấu chấp hành truyền động
Các cơ cấu chấp hành này chuyển năng lượng thủy lực của chất lỏng bị nén sang dạng năng lượng cơ Các cơ cấu chấp hành đó là các động cơ thuỷ lực, về cơ bản, dạng chuyển động sinh ra, tương tự như trường hợp bơm, trong các động cơ quay, nửa quay phần tạo
ra các chuyển động quay là các trục, và trong các động cơ tuyến tính chuyển động qua lại,
phần tạo ra chuyển động quay là các xi lanh thuỷ lực
Các động cơ quay và nửa quay
Trong các thuật ngữ giải thích, các động cơ quay gần giống như bơm quay Có các động cơ dạng bánh răng, van, piston, dạng tròn hoặc ống Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động thì ngược lại với bơm Hình 20.95 là ký hiệu động cơ thủy lực dạng quay Các động cơ dạng nửa quay tạo các dao động hoặc chuyển động tuyến tính, chuyển động quay của một van nối trực tiếp với đầu ra của trục hoặc kết hợp với 1 cơ cấu thanh răng truyền động bởi
1 piston, với một bánh răng nối với đầu ra của trục như ví dụ trong hình 20.96 Các động
cơ van nửa quay sinh ra mômen xoắn tức thời trên trục đầu ra; Vì vậy chúng được gọi là các động cơ mômen thủy lực
HÌNH 20.95 Ký hiệu các động cơ thuỷ lực quay
HÌNH 20.96 Cơ cấu chấp hành thuỷ lực quay (Parker Hannifin)
Động cơ tuyến tính
Trang 920-9
Các động cơ thuỷ lực tuyến tính tiếp tục được sử dụng phổ thông nhất trong các dạng
cơ cấu chấp hành Chúng sinh ra chuyển động thẳng bởi hành trình của thanh truyền được nối với 1 piston trượt trong xilanh Có sự khác biệt giữa xilanh tác động đơn và tác động kép Trước đây các động cơ chỉ có duy nhất một hành trình làm việc do vậy áp suất của chất lỏng chỉ tác dụng lên bề mặt của piston theo một chiều duy nhất; hành trình kéo lại được thực hiện nhờ lực tác động lên mặt ngoài của cần xilanh tạo ra, hoặc nhờ lực lò xo xoắn kết hợp với cơ cấu chấp hành trong 1 khoang Cuối cùng cả hai hành trình cho phép chất lỏng tác động lần lượt lên cả 2 mặt của piston, nhằm tạo ra cả 2 hành trình tiến hoặc lùi Các xi lanh tác động kép có thể có thanh truyền đơn hoặc kép Nó bao gồm một ống bịt cả 2 đầu và một piston di động trong trống chứa 1 hoặc 2 thanh truyền được nối ra bên ngoài để tạo chuyển động Khi nó được cố định với miếng đệm hàn kín, piston chia xilanh thành 2 khoang Việc đưa dầu bị nén với áp suất cao vào một trong các khoang thông qua các ống dẫn đặc biệt ở phía đầu, sự chênh lệch áp suất giữa 2 mặt piston truyền
1 sức ép ra phía ngoài nhờ thanh truyền Hình 20.97 giải thích hoạt động của 1 xilanh thủy lực tác động kép với 1 thanh truyền đơn Cơ cấu chấp hành thanh truyền đơn được coi như các xilanh không đối xứng bởi vùng làm việc ở phía thanh truyền thì nhỏ hơn vùng của pittông
HÌNH 20.97 Cơ cấu chấp hành pittông tác động kép, thanh truyền đơn (Atos)
HÌNH 20.98 Ký hiệu các cơ cấu chấp hành
Ở loại này các lực tác động và tốc độ theo 2 hai chiều khác nhau, với cùng áp suất trong 2 khoang
Các cơ cấu chấp hành thủy lực có thể chống được quá tải, nếu tải vượt quá lực đẩy có thể, thanh truyền sẽ dừng hoặc chuyển động ngược lại, nhưng không gây hỏng Tuy nhiên, các xilanh có thể bị hỏng hoặc ít nhất bị giảm hiệu suất do khi cấp tải không dọc theo trục của thanh truyền sẽ sinh ra phản lực từ thanh truyền và ổ trục đỡ pittông dẫn tới hiện tượng nhanh mòn, giảm độ khít và gây ra sự rò rỉ dầu
Những thông số chính của động cơ tuyến tính là kích thước, hành trình pittông, áp suất làm việc tối đa, dạng chất lỏng, và cách liên kết Ký hiệu các dạng cơ cấu chấp hành khác nhau được nêu trong hình 20.98
Trang 10Van
Van là bộ phận trong hệ thủy lực có nhiệm vụ điều chỉnh công suất thủy lực truyền tới
cơ cấu chấp hành Vai trò của chúng là đóng/mở dòng chảy của dầu hoặc phân hướng nó theo yêu cầu, do đó cho phép điều chỉnh hai đại lượng vật lý chính của việc truyền chất lỏng là áp suất và lưu lượng dòng chảy Phân loại van theo chế độ hoạt động, có các dạng:
Van định hướng
Van đóng-mở
Van điều chỉnh áp suất
Van điều chỉnh lưu lượng dòng chảy
Người ta thường sử dụng van tỉ lệ lưu lượng, van servo, van tỉ lệ áp suất trong các ứng dụng cơ cấu servo liên tục
Van định hướng
Van định hướng quyết định lượng và chiều dòng dầu qua nó bằng sự dịch chuyển của các phần di động tương ứng trong chúng hoặc tác động từ bên ngoài Van định hướng cũng được xem như van phân phối, được phân biệt nhờ dạng của các phần tử di động, do
đó chúng được phân loại theo cấu trúc bên trong của chúng, bằng số lượng kết nối có thể với các ống dẫn ngoài và số vị trí chuyển mạch
HÌNH 20.99 Sơ đồ của van bốn ngăn, hai vị trí Các phần tử di động có thể có dạng poppet hoặc dạng cuộn Các van poppet không phân biệt dạng chất lỏng và không chịu tác động bởi các tạp chất trong chất lỏng đó, nhưng yêu cầu lực tác động lớn khi không thể bù với áp lực dầu Các van cuộn cho phép kết nối đồng thời theo một vài dạng khác nhau với các sơ đồ chuyển khác nhau, do đó thông dụng hơn bởi sự linh hoạt của chúng Số kết nối có thể được xác định bởi số đường chảy hoặc cách thể hiện trên bề ngoài thân van Số vị trí chuyển tương ứng với số sơ đồ kết nối có thể của van, với các di chuyển thích hợp của các phần di động
Hình 20.99 mô tả sơ đồ hoạt động của van cuộn 4 ngăn, 2 vị trí (ký hiệu là 4/2) nối với một động cơ tuyến tính hành trình kép Ở vị trí 1 (Hình 20.99(a)) nguồn cung cấp liên hệ với khoang sau của xilanh qua đầu ra A, còn khoang trước xả qua cổng B Trong sơ đồ này, pittông thực hiện một hành trình tiến về phía trước khi thanh truyền hướng ra ngoài
Ở vị trí 2 (Hình 20.99(b)), sự di chuyển của van trượt khiến việc cấp và xả ở 2 khoang ngược lại, pittông thực hiện hành trình ngược lại
Van định hướng nhiều vị trí được biểu diễn bởi các hình vuông đặt cạnh nhau mô tả các kết nối ở từng vị trí Hình 20.100, biểu diễn một số ký hiệu van định hướng theo chuẩn ISO Vị trí giữa của các van 3 vị trí thường là vị trí dừng được nối với van cuộn và
Trang 1120-11
các vị trí phụ Các van định hướng có thể điều khiển theo nhiều cách (Hình 20.100): bằng tay; cơ khí: các thiết bị như cam, đòn bẩy, ; thủy lực và khí nén: các lưu chất bị nén; điện từ, trực tiếp hoặc gián tiếp phụ thuộc vào lực sinh ra do nam châm điện đặt thẳng hàng với van trượt hoặc bằng dòng chất lỏng, hướng của chúng được điều khiển bởi 1 van dẫn hướng nhỏ hơn van điều khiển chính
Các van đóng/ngắt
Các van đóng ngắt là các van đơn hướng, chỉ cho phép dòng chất lỏng chảy theo một hướng Do chúng cản dòng theo chiều ngược lại nên chúng còn được gọi là van không phản hồi (nonreturn) hay các van kiểm tra Các van đóng/ngắt thường được đặt trong mạch thủy lực giữa bơm và cơ cấu chấp hành nên khi máy phát dừng, dòng chất lỏng trong hệ thống không được đưa vào bể chứa mà lưu lại trong đường ống Việc này sẽ ngăn sự lãng phí năng lượng cho việc lấp đầy ống sau đó và đảm bảo vị trí của cơ cấu chấp hành dưới tải
Về mặt cấu trúc, các van kiểm tra bao gồm một cơ cấu chấp hành kèm theo một quả cầu hoặc pittông được duy trì tại vị trí của nó nhờ lực đẩy của lò xo (van không phản hồi), hoặc bằng áp suất chênh lệch giữa bên trong hoặc bên ngoài (van đơn hướng)
Van điều chỉnh áp suất
Có 2 dạng van điều chỉnh áp suất cơ bản: các van hạn chế áp suất hay van an toàn và van giảm áp
Hình 20.100 Ký hiệu các van
Các van hạn chế áp suất đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống, ngăn áp suất vượt quá các mức nguy hiểm của hệ thống Thường có một van áp suất tối đa trong các mạch thủy lực để tháo bất kỳ dòng chảy dư thừa nào mà hệ thống không cần đến vào bể chứa Điều này là do các máy phát hoặc các bơm dịch chuyển dương, cung cấp dòng chất lỏng liên tục và nếu nó không được sử dụng hoặc không có van hạn chế áp hoặc van áp suất
Trang 12tối đa thì nó sẽ làm cho áp suất trong hệ thống tăng đến các giá trị không cho phép Các van hạn chế áp suất có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp Trường hợp trực tiếp cung cấp một lực lò so với tải trọng cố định đặt trước, bằng với lực chống lại áp suất của cửa chắn, hoặc cửa điều chỉnh đảm bảo cho áp suất mở tối đa Trường hợp gián tiếp thay thế tác động của lò so bằng tác động của dòng chất lỏng có điều khiển thuỷ lực bởi một van dẫn hướng
Chức năng của các van điều chỉnh áp suất là giữ 1 áp suất không đổi cuối dòng, không phụ thuộc sự thay đổi áp suất đầu dòng Việc điều chỉnh các mức áp suất có thể đặt bằng tay bằng tín hiệu dẫn hướng hoặc bằng tín hiệu điện tương tự Trong các trường hợp sau, các van điều chỉnh áp suất có thể hoạt động trong mạch điện vòng kín, khi chúng có bộ chuyển đổi trong để đo áp suất điều khiển
Các van điều chỉnh lưu lượng
Các van dạng này dùng để điều chỉnh lưu lượng dòng chất lỏng đi qua nó Nó hoạt động như van tiết lưu đơn giản tương tự một vòi phun có diện tích thay đổi Dòng qua van tiết lưu là hàm của diện tích qua và hiệu giữa áp suất đầu và cuối dòng Do đó, van tiết lưu đơn giản rất nhạy cảm với tải, bởi lưu lượng dòng chảy cũng phụ thuộc sự giảm
áp suất ở điểm cuối của nó và chịu sự chi phối của các thành phần khác trong mạch Trong trường hợp van điều chỉnh lưu lượng bù áp suất, lưu lượng dòng chảy được duy trì không đổi trên mức áp suất tối thiểu (thường bằng 10 bar) như một hàm riêng của các điểm đặt ngoài bằng tay hoặc điện Trong trường hợp này, van có hai van tiết lưu nối tiếp, một cái cố định và cái còn lại tự động thay đổi, để duy trì sự giảm áp suất không đổi ở van tiết lưu cố định và bảo đảm lưu lượng dòng chảy không đổi
Ký hiệu của các van điều chỉnh lưu lượng theo chuẩn ISO được giới thiệu trong hình 20.101
HÌNH 20.101 Ký hiệu của các van điều khiển dòng
Van tỉ lệ và van servo
Các van servo bắt đầu xuất hiện từ cuối những năm 1930 và được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực quân sự và hàng không Sản phẩm thương mại đầu tiên xuất hiện giữa những năm 50 Ngày nay, các van servo và van tỉ lệ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực dân sự, hàng không, vũ trụ, tự động hóa, công nghiệp Thông thường, chúng được dùng cho điều khiển liên tục vị trí, tốc độ và lực của một cơ cấu chấp hành thủy lực, yêu cầu độ chính xác về vị trí hoặc chính xác trong điều kiện chạy và dải tần số làm việc, trong cả hai cấu trúc điều khiển vòng mở và vòng kín
Van servo hay van tỉ lệ là một bộ phận của hệ thủy lực có thể sinh ra đầu ra điều khiển được và là hàm của đầu vào dạng điện Thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành tác động
Trang 1320-13
van cuộn hoặc van đĩa (sú-páp hình nấm) là nam châm điện của động cơ hãm (động cơ mômen lớn) hoặc cuộn cảm tỉ lệ Động cơ hãm chuyển dòng điện một chiều nhỏ sang mômen tác động lên mặt rotor ở chế độ lưỡng cực Cuộn cảm tỉ lệ sinh ra lực đơn hướng trên hàm phần ứng di động của dòng điện tuần hoàn trong cuộn dây, với đặc tính duy trì lực này xấp xỉ không đổi trong dải dịch chuyển con chạy Động cơ hãm, với các giá trị dòng điện và điện cảm thấp, có thời gian đáp ứng ngắn hơn cuộn cảm servo, đặc biệt là hoạt động với dòng điện cao nhưng sinh ra công suất cơ thấp hơn Do đó, động cơ hãm tạo thành tầng dẫn hướng thường thấy trong các van servo, còn cuộn cảm servo được dùng trong các van tỉ lệ tác động trực tiếp lên các van cuộn
Lưu lượng dòng chảy hoặc độ chênh áp suất có thể được điều khiển trực tiếp bởi các van servo hoặc van tỉ lệ, tùy dạng Van servo hoặc van tỉ lệ thường có các đặc điểm cơ bản sau:
Các tín hiệu đầu vào
Độ chính xác
Trễ
Tuyến tính đầu vào và ra
Dải chết (dead band)
Độ rộng dải
Các tín hiệu đầu vào được đặc trưng bởi dạng tín hiệu và dải biến thiên Phổ biến là các tín hiệu dòng điện (10 mA hoặc 4-20 mA) điện áp (0-10 V) Độ chính xác được đánh giá bởi hiệu giữa giá trị đặt và giá trị thực Nó được tính theo phần trăm tỉ lệ Đặc tính trễ nhận được từ độ chênh với điểm đặt lên và xuống tương ứng Các giá trị của nó biểu diễn
tỉ lệ giữa độ lệch tối đa và giá trị toàn thang đo Tuyến tính là 1 đặc tính có thể ước lượng trên toàn dải làm việc Trong dải tương đối, nó có thể được biểu diễn bẳng tỉ lệ phần trăm
độ lệch tối đa của quan hệ vào/ra của phần hồi quy tuyến tính của nó Thông thường, điều khiển vị trí yêu cầu độ tuyến tính cao hơn so với điều khiển tốc độ, áp suất hoặc lực Dải chết (dead band) xác định giá trị đầu vào tối thiểu để đảm bảo sự biến thiên đầu ra vẫn được chấp nhận Không giống như trên, độ rộng dải là một đặc tính động
BẢNG 20.11 Những điểm khác nhau chính giữa các van servo và van tỉ lệ thuỷ lực
Chuyển đổi cơ điện Mômen động cơ hai chiều với
nozzle-flapper hoặc vòi phun
Cuộn cảm servo nhiều hướng (10 20W)
Dòng điện đầu vào 100 200 mA < 3A
Lưu lượng dòng
chảy
2 200 l/phút (dạng một tầng) với van có độ giảm áp suất = 70 bar
10 500 l/phút (dạng một tầng) với van có độ giảm
áp suất = 10 bar Trễ <3% (<1% với dao động) <6% (<2% với phản hồi
điện)
Độ rộng dải >100Hz tuỳ thuộc vào biên <100Hz tuỳ thuộc vào
Trang 14dộ của đầu vào và của áp suất cung cấp
biên dộ của đầu vào
Dải không hoạt
động của van cuộn
<5% hành trình Chéo nhau 10 20%
hành trình, ít hơn nếu có
bù
Đó là do nó liên quan tới biểu đồ tần số của các thành phần và xác định rõ tần số ở đó
độ hạ tương ứng là 3 dB dưới giá trị tần số thấp Thông thường các van điều khiển liên tục yêu cầu độ rộng dải lớn hơn 2-5 lần so với hệ thống Sự khác biệt chính giữa các van servo và các van tỉ lệ được chỉ trong bảng 20.11 Trừ sự khác nhau cơ bản trong các thiết
bị chuyển đổi điện cơ, có thể có sự giống nhau về các đặc tính tĩnh và động của nhiều loại trên thị trường
Về cơ bản do có các đặc tính tĩnh và động mạnh hơn, các van servo dùng chủ yếu trong các vòng điều khiển kín trong khi các van tỉ lệ thường dùng trong các hệ thống vòng hở
Van Servo
Các mô hình 2 tầng rất phổ biến trong các van servo, trong đố tầng điều khiển đầu tiên chuyển các tín hiệu điện công suất nhỏ sang hiệu áp suất có khả năng tác động tới van trượt của tầng 2, thường là 4 đường và đối xứng Các van servo điều chỉnh lưu lượng dòng chảy được chia thành 2 nhóm dựa trên cách chúng tạo ra sự chuyển đổi điện - thủy lực:
Vòi phun động (nozzle-flapper),
Ống phun (jet-pipe)
Một ví dụ của van servo dạng vòi phun động được vẽ trên hình 20.102 Nó gồm 2 tầng: tầng trước bao gồm một động cơ hãm, cổng flapper, và 1 hệ thống vòi phun (nozzles) và các van điều tiết không khí (chokes), trong khi phần sau bao gồm phần chính của van cuộn và các cổng ra Động cơ hãm cấu tạo bởi cuộn cảm, nam châm, phần ứng và các cực, có khả năng truyền mômen tới phần cổng flapper với một góc lệch pha, do đó gây khó khăn cho một trong nhiều vòi phun ở mức cao hơn Việc này là nguyên nhân gây ra
sự chênh áp suất ở điểm cuối của van, do đó phần sau chuyển động cho đến dây phản hồi, nối van cuộn và cổng flapper, đưa cổng tới vị trí giữa
Do vị trí đồng hồ lưu lượng đặt trong ổ trục, van cuộn cho phép truyền thông giữa các cổng Dây phản hồi là phần tử đàn hồi tạo ra sự phản hồi giữa 2 tầng công suất chính (van cuộn) và tầng đầu (động cơ hãm) Dạng van nozzle-flappers dễ bị tạp chất hơn so với jet-pipe, do đó cần độ lọc dầu lớn hơn
Hình 20.103 chỉ ra một phần biểu đồ của van servo dạng jet-pipe Nó được nối với vòi phun P (nguồn) của van servo bởi một bộ lọc và vòi linh hoạt Nên chú ý rằng, không giống như van nozzle-flapper, không cần thiết lọc dầu bên trong, but only what is called the control flow (the one going through the jet-pipe); this is certainly an advantage in terms of economic running and sensitivity to solid contamination Khởi động với một
Trang 1520-15
điện áp đầu vào chuẩn, bộ khuếch đại làm điện áp trong động cơ hãm tăng lên đồng thời giảm ở các phần khác
HÌNH 20.102 Vòi phun động servo nozzle-flapper, (Moog)
HÌNH 20.103 Sơ đồ van servo dạng ống phun jet-pipe
Sự kích thích này gây ra sự không cân bằng các lực ở phần cuối của phần ứng động cơ, sinh ra mômen làm bản thân phần ứng và ống phun quay Sự dịch chuyển của miệng nozzle đòi hỏi sự phân phối khác nhau giữa 2 ống dưới nó và kết quả là tạo ra độ chênh
áp suất ở điểm cuối của van cuộn với 1 lực tất yếu trên nó là nguyên nhân gây ra sự dịch chuyển Phần lò so nối van cuộn và ống phun jet-pipe, sinh ra phản hồi vị trí Độ dịch chuyển của van và ống phun jet-pipe làm biến dạng lò so phản hồi, sinh ra một lực tăng tỉ
lệ với nó, có thể cân bằng mômen cấp cho ống phun jet-pipe và lực sinh ra ở điểm cuối của van Theo cách này, hệ thống tìm được một vị trí cân bằng, tỉ lệ với điện áp đầu vào
Lò so phản hồi định tâm van trượt ở điểm tỳ cố định, do đó không cần thiết định tâm lò
so Hình 20.104 là sơ đồ khối mô tả các thành phần van servo jet-pipe với phần chú thích các đại lượng vật lý đưa ra trong hình 20.103
Trang 16HÌNH 20.104 Sơ đồ khối của van servo dạng ống phun jet-pipe
HÌNH 20.105 Cuộn cảm servo tỉ lệ (a) sơ đồ cuộn cảm, (b) đặc tính cuộn cảm
Van tỉ lệ
Các van tỉ lệ có thể được chia nhóm thành van tỉ lệ dòng, và nhóm van tỉ lệ áp suất (hạn chế và giảm áp suất) Trong trường hợp đầu, tác động của cuộn cảm servo phần ứng (Hình 20.105(a)) thay thế ống cuộn chính của van, được giữ bởi một lò so trên thân van Các đặc tính lực của cuộn cảm servo, trong toàn bộ hành trình có thể của ống cuộn, là hàm của dòng điện đầu vào như minh họa trong hình 20.105(b) Ứng với các giá trị có thể của dòng điện vào, có một vị trí nhất định tại đó lực điện từ của cuộn cảm cân bằng với lực phản hồi của lò so
Với trường hợp yêu cầu vị trí chính xác của van trượt, có thể dùng phản hồi vị trí Hình 20.106 minh họa một van tỷ lệ dạng này Tín hiệu vào cuộn cảm servo, từ modul phản hồi là sai số được bù bởi mạng PID giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi từ bộ chuyển đổi vị trí LVDT Độ chính xác và khả năng lặp lại của van sẽ tăng nhờ phản hồi
vị trí, khi sai số trễ và sai số do ma sát giữa các phần di động được bù một phần
Các van lưu lượng tỉ lệ có thể có 2 tầng Trong trường hợp này, đầu ra của van tỉ lệ dẫn hướng đưa tới khoang cuối của một van cuộn có kích cỡ lớn hơn, cho phép đạt được lưu lượng điều khiển lớn hơn đồng thời giảm được các đặc tính động Hình 20.107 là van lưu lượng tỉ lệ 2 tầng
Trong các van tỉ lệ điều chỉnh áp suất, hoạt động của cuộn cảm servo sẽ tác động lên đỉnh chóp nón sao cho có thể điều chỉnh được áp suất trong khoang đầu từ phía đỉnh của
nó Hình 20.108 minh họa hoạt động của van tỉ lệ tăng áp
Trang 1720-17
HÌNH 20.106 Van tỉ lệ lưu lượng (Bosch Rexroth)
HÌNH 20.107 Van tỉ lệ lưu lượng 2 tầng: (1) tầng van cuộn chính, (2) tầng dẫn hướng,
(3) LVDT của tầng dẫn hướng, (4) LVDT của tầng chính (Atos)
HÌNH 20.108 Van tỉ lệ tăng áp (Bosch Rexroth)
Mô hình hệ thống servo thủy lực điều khiển vị trí
Hình 20.109 là sơ đồ một hệ thống servo thủy lực điều khiển vị trí tác động kép, cơ cấu chấp hành 2 điểm cuối được điều khiển bởi mạch vòng kín với van servo 4 đường Vị trí
x của piston xác định khi lực tác động lên nó cân bằng: ngoại lực, lực đẩy do áp suất P1,
