Khi truyền năng lượng thông qua chất lỏng, hướng truyền phải được xác định và phải duy trì kiểm soát liên tục, đầy đủ. Nếu không có kiểm soát toàn diện, năng lượng sẽ trở nên vô ích hoặc, tệ hơn nữa, máy móc có thể bị hư hỏng. Một trong những ưu điểm chính của công nghệ thủy lực là khả năng sử dụng các van điều khiển thủy lực để kiểm soát năng lượng một cách tương đối dễ dàng.

Van điều khiển thủy lực

Van điều khiển thủy lực là một bộ phận cơ khí gồm thân van có các đường dẫn bên trong có thể nối hoặc chặn dòng chảy chất lỏng, cùng các bộ phận chuyển động bên trong. Các đường dẫn trong thân van dùng để vận chuyển dầu. Chuyển động của các bộ phận chuyển động bên trong điều khiển áp suất tối đa, hướng dòng chảy và lưu lượng của hệ thống.

Điều khiển Áp suất Hệ thống

Năng lượng thủy lực có thể được áp dụng lên một xi-lanh thủy lực. Khi kết quả là công việc thành công, một khi xi-lanh đã duỗi hoàn toàn, công việc coi như đã hoàn tất. Bơm kiểu dịch chuyển tích cực sẽ tiếp tục hấp thụ thêm năng lượng từ động cơ dẫn động chính của nó. Điều này làm tăng áp suất trong dầu. (Lưu ý: sức cản nhỏ nhất trong hệ thống xác định áp suất thủy lực được áp dụng.) Khi xi-lanh duỗi ra thêm, độ bền cơ học của hệ thống trở thành sức cản nhỏ nhất.

Bơm sẽ gia tăng thêm áp suất để vượt qua sức cản này. Người ta sử dụng van điều khiển áp suất nhằm giữ áp suất hệ thống trong giới hạn an toàn.

Van điều khiển áp suất

Các bộ phận chuyển động bên trong van điều khiển áp suất hoạt động dựa trên áp suất. Khi áp suất hệ thống đạt đến một giá trị cài đặt nhất định, các bộ phận chuyển động bên trong sẽ nối thông hoặc bịt kín một trong các đường dẫn trong thân van, khiến dầu chảy qua hoặc ngăn không cho dầu chảy vào đường dẫn đó.

Cấu tạo van điều khiển áp suất

Một van điều khiển áp suất bao gồm thân van có các đường dẫn sơ cấp và thứ cấp cùng các bộ phận chuyển động bên trong (trục trượt). Các kết nối bên ngoài với các đường dẫn này được gọi lần lượt là cổng sơ cấp và cổng thứ cấp.

Nguyên lý hoạt động của van điều khiển áp suất

Bộ phận chuyển động bên trong của một van điều khiển áp suất thường là loại trục trượt. Khi trục trượt ở một vị trí đầu, đường dẫn bên trong được nối thông và dòng chảy có thể đi qua. Khi ở vị trí đầu kia, đường dẫn bên trong bị chặn và dòng chảy qua van bị cắt đứt.

Trong một van điều khiển áp suất, trục trượt được giữ ở một vị trí đầu nhờ lò xo. Tại vị trí đóng bình thường này, đường dẫn bên trong bị chặn và đường dẫn dòng chảy qua van bị đóng lại. Loại van này được gọi là van điều khiển áp suất normally closed (đóng thường).

Van điều khiển áp suất cảm nhận áp suất tại phần đáy của trục trượt. Đường dẫn ở đáy này nối với cổng chính. Khi áp suất hệ thống tăng cao hơn lực lò xo, trục trượt di chuyển để nối thông đường dẫn bên trong, cho phép dòng chảy đi qua van.

(Áp suất thủy lực được sử dụng để điều khiển chuyển động của trục trượt được gọi là áp suất điều khiển phụ. Việc sử dụng áp suất điều khiển phụ để điều khiển van được gọi là điều khiển phụ — đây là phương pháp phổ biến nhất để điều khiển mọi loại van thủy lực.)

Nếu cổng chính của loại van điều khiển áp suất này được nối với phía có áp suất hệ thống, và khi áp suất do bơm tạo ra quá cao, dòng chảy từ bơm có thể được chuyển hướng qua van này về bể dầu — loại van điều khiển áp suất normally closed (đóng thường) như vậy được gọi là van an toàn.

Hình 7-2: Van điều khiển áp suất đóng thường (hoạt động của van an toàn). Lò xo giữ trục trượt ở vị trí đóng cho đến khi áp suất hệ thống vượt quá giá trị cài đặt của lò xo; sau đó trục trượt dịch chuyển và mở đường dẫn về bể chứa.

Hình 7-3 Một mạch thủy lực đơn giản có điều khiển áp suất (van xả). Khi xi-lanh đạt đến cuối hành trình, van xả mở ra và chuyển dòng chảy từ bơm trở lại bể chứa, từ đó giới hạn áp suất tối đa của hệ thống.

Điều khiển hướng của bộ chấp hành

Khi một xi-lanh thủy lực đã được đẩy ra hết hành trình, nó phải được thu lại để thực hiện công việc một lần nữa. Vì lý do này, các xi-lanh cần di chuyển theo hai hướng thường sử dụng xi-lanh thủy lực có hai cổng — gọi là xi-lanh tác động kép. Đồng thời, hướng dòng chảy cũng phải được đảo ngược.

Xi-lanh thủy lực tác động kép

Một xi-lanh thủy lực tác động kép có một cổng ở mỗi đầu của thân xi-lanh, cho phép dầu đi vào và đi ra, nhờ đó pít-tông có thể di chuyển theo cả hai hướng (tác động kép). Để phân biệt hai cổng của một xi-lanh tác động kép, chúng ta gán nhãn một cổng là "A" và cổng còn lại là "B".

Van điều khiển hướng

Các bộ phận chuyển động bên trong van điều khiển hướng có chức năng nối thông hoặc chặn các đường dẫn bên trong thân van, từ đó điều khiển hướng dòng dầu.

Cấu tạo van điều khiển hướng

Một van điều khiển hướng điển hình có bốn đường dẫn bên trong thân van và một lõi trượt có thể nối thông hoặc chặn các đường dẫn này.

Nguyên lý hoạt động của van điều khiển hướng

Khi lõi trượt ở một vị trí đầu mút, đường dẫn áp suất nối với đường dẫn làm việc A, và đường dẫn hồi nối với đường dẫn làm việc B. Khi lõi trượt chuyển sang vị trí đầu mút còn lại, đường dẫn áp suất nối với đường dẫn làm việc A, và đường dẫn hồi nối với đường dẫn làm việc B. Việc đảo chiều lõi trượt sẽ đổi hướng dòng dầu đi vào xilanh thủy lực.

Khi cần xi lanh duỗi ra và thu vào hoàn toàn theo yêu cầu, công việc được hoàn thành. Khi núm trượt chuyển sang vị trí cuối khác, dầu chảy vào phía bên kia của xi lanh — và cần xi lanh thu vào.

Hình 7-4: Van điều khiển hướng trong mạch xi lanh hai chiều. Việc dịch chuyển núm trượt đảo chiều dòng chảy dầu, từ đó đảo chiều chuyển động của xi lanh.

Điều khiển tốc độ của cơ cấu chấp hành

Trong nhiều ứng dụng, tốc độ làm việc của cơ cấu chấp hành phải được điều khiển — và đôi khi phải được điều khiển rất chính xác. Như đã giải thích trước đây, tốc độ của các cơ cấu chấp hành (xi lanh, động cơ thủy lực) có quan hệ trực tiếp với lưu lượng dầu cấp vào — tốc độ cơ cấu chấp hành được xác định bởi lưu lượng dầu đầu vào.

Do dung tích bơm có thể cố định, nên có thể lựa chọn lưu lượng bơm dựa trên tốc độ yêu cầu của cơ cấu chấp hành. Phương pháp này chỉ khả thi trong các hệ thống sử dụng duy nhất một cơ cấu chấp hành.

Thông thường trong một hệ thống thủy lực, các cơ cấu chấp hành thường nhiều hơn một cái. Nếu hệ thống yêu cầu mỗi xilanh thủy lực hoạt động độc lập, thì lưu lượng bơm cần được chọn dựa trên xilanh thủy lực lớn nhất yêu cầu tốc độ nhanh nhất. Điều này có nghĩa là các cơ cấu chấp hành nhỏ hơn sẽ di chuyển nhanh hơn, điều này có thể không mong muốn. Để giảm lưu lượng đi vào những cơ cấu chấp hành này hoặc bất kỳ cơ cấu chấp hành nào khác, phải sử dụng van điều khiển lưu lượng.

Van điều khiển lưu lượng

Khi sử dụng van điều khiển lưu lượng, luôn có thể giảm lưu lượng từ bơm đến cơ cấu chấp hành.

Cấu tạo của van điều khiển lưu lượng

Một van điều khiển lưu lượng điển hình gồm thân van và bộ phận chuyển động. Trong ví dụ của chúng ta, bộ phận chuyển động là kim điều chỉnh có đầu vát côn. Vì kim này thực tế không di chuyển trong quá trình vận hành (nó được thiết lập sẵn ở một vị trí nhất định), nên gọi các bộ phận của van điều khiển lưu lượng là "có thể điều chỉnh" sẽ phù hợp hơn là "chuyển động".

Nguyên lý hoạt động của van điều khiển lưu lượng

Trong một hệ thống thủy lực, van điều khiển lưu lượng luôn hoạt động cùng với van điều khiển áp suất (van an toàn). Van điều khiển lưu lượng tạo ra một trở kháng. Điều này khiến bơm thủy lực tạo ra áp suất cao hơn. Áp suất này có thể làm cho một phần dòng chảy từ bơm mở van an toàn, từ đó làm giảm lưu lượng đi qua van điều khiển lưu lượng và đến cơ cấu chấp hành.

Hình 7-5: Mạch điều khiển lưu lượng. Van kim điều tiết lưu lượng vào xi-lanh. Dòng chảy thừa từ bơm đi qua van an toàn về bể chứa. Độ mở của van kim xác định tốc độ chuyển động của xi-lanh.

Một Hệ Thống Thủy Lực Đơn Giản

Tất cả các thành phần đã giới thiệu ở trên có thể kết hợp thành một hệ thống thủy lực đơn giản. Vì năng lượng thủy lực trong hệ thống này có thể điều khiển được, nên hệ thống này có khả năng thực hiện công hữu ích.

Các hệ thống thủy lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ hàng không vũ trụ, máy bay và thiết bị quân sự đến công nghiệp, máy móc di chuyển và thiết bị luyện thép. Nguyên lý hoạt động của các hệ thống thủy lực trong tất cả các ứng dụng này đều giống như đã mô tả ở trên. Sự khác biệt duy nhất giữa các "loại" hệ thống thủy lực khác nhau nằm ở các thành phần được sử dụng.

Trong các chương tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về các loại thành phần khác nhau — những thành phần này được sử dụng trong các hệ thống thủy lực công nghiệp. Để giải thích cách sử dụng các thành phần này, chúng ta cũng sẽ thiết kế một số mạch thủy lực cơ bản.

Ký hiệu đồ họa thủy lực

Trong các phần thảo luận trước đây về các thành phần thủy lực và các hệ thống cơ bản, mọi thứ đều được trình bày dưới dạng đồ họa — sử dụng các mặt cắt để minh họa trực quan các hoạt động bên trong của thành phần. Phương pháp này rất hữu ích trong việc giải thích các vấn đề, nhưng lại không thực tế khi áp dụng vào công việc hàng ngày.

Giống như các lĩnh vực kỹ thuật khác, thủy lực cũng sử dụng các ký hiệu đồ họa để biểu diễn các thành phần và hệ thống. Các thành phần thủy lực và hệ thống đơn giản đã được đề cập trước đây đều có thể được biểu diễn bằng các ký hiệu đồ họa thủy lực và khí nén theo tiêu chuẩn ANSI Y32.10 hoặc ISO 1219.

Ngoài các thành phần đã được thảo luận, các thành phần cấu thành một hệ thống thủy lực còn bao gồm động cơ điện, bộ lọc thủy lực, v.v. Thông thường, hệ thống thủy lực được dẫn động bởi động cơ điện. Ngoài ra, để duy trì mức độ sạch hợp lý, hệ thống thủy lực cần sử dụng bộ lọc thủy lực nhằm bảo vệ dầu khỏi bị nhiễm bẩn.

Hình 7-7: Các ký hiệu đồ họa thủy lực tiêu chuẩn (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Các ký hiệu này được sử dụng trên mọi sơ đồ mạch thủy lực thay vì bản vẽ mặt cắt.

Hình 7-8: Một mạch thủy lực đơn giản hoàn chỉnh được thể hiện bằng các ký hiệu đồ họa tiêu chuẩn. Đây là cách vẽ mạch thủy lực trong thực tiễn kỹ thuật.