Chương 9: Van điều khiển lưu lượng

Lỗ tiết lưu

Lỗ tiết lưu là một lỗ mở tương đối nhỏ trên đường dẫn dòng chảy chất lỏng. Dòng chảy qua lỗ tiết lưu chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó ba yếu tố chính là:

1. Kích thước lỗ phun
2. Chênh lệch áp suất qua lỗ tiết lưu
3. Nhiệt độ chất lỏng

Ảnh hưởng của kích thước lỗ tiết lưu đến dòng chảy

Kích thước lỗ tiết lưu điều khiển dòng chảy đi qua nó. Một ví dụ thường gặp trong đời sống hàng ngày là vòi phun đầu vòi tưới vườn — nếu lỗ mở của vòi phun nhỏ, nước sẽ phun ra dạng sương mịn hoặc tia phun. Nếu lỗ mở lớn hơn, nước sẽ thành dòng phun mạnh. Trong cả hai trường hợp, lỗ tiết lưu của vòi phun đầu vòi tưới đều giới hạn hướng dòng chảy — dòng chảy qua lỗ tiết lưu được xác định bởi kích thước lỗ mở.

Hình 9-1: Van điều khiển lưu lượng trong một mạch thủy lực. Van điều tiết lưu lượng đến xi-lanh. Lưu lượng bơm dư thừa đi qua van an toàn. Lưu lượng bị hạn chế tạo thành năng lượng tiềm năng (vận tốc) tại vòi phun.

Lỗ cố định

Một vòi phun cố định có kích thước lỗ mở không thể điều chỉnh được. Các ví dụ phổ biến nhất trong công nghệ thủy lực là lỗ khoan trên nút bịt ống hoặc van một chiều, hoặc van điều khiển lưu lượng được thiết lập sẵn tại nhà máy.

Vòi phun điều chỉnh được

Hầu hết thời gian, người ta cần sử dụng vòi phun điều chỉnh được thay vì vòi phun cố định, bởi vì loại này linh hoạt hơn. Các van cổng, van bi và van kim đều là những ví dụ về vòi phun điều chỉnh được.

Van cổng

Van cổng có đường dẫn dòng chảy thẳng qua. Kích thước của vòi phun được thay đổi bằng cách xoay tay cầm để mở hoặc đóng tấm chắn (cổng) nằm trong đường dẫn dòng chảy. Mặc dù van cổng không được thiết kế dành riêng cho việc điều khiển lưu lượng, nhưng trong một số hệ thống đo lưu lượng sơ bộ, chúng có thể được sử dụng như các thiết bị hạn chế dòng chảy.

Van bóng

Các đường dẫn dòng chảy của van bi không thẳng — chúng tạo thành một góc xoay 90°. Lỗ thông (orifice) là phần ghế van và nút hình nón hoặc nút hình cầu nằm trên đoạn đường dẫn xoay. Kích thước lỗ thông được điều chỉnh bằng cách thay đổi vị trí của nút hình cầu.

Van kim

Dòng chảy qua van kim cũng tạo thành một góc 90°, sau đó đi qua một lỗ thông. Lỗ thông này bao gồm khe hở giữa thanh van có đầu vát nhọn và ghế van. Kích thước lỗ thông được thay đổi bằng cách điều chỉnh vị trí mặt côn tương đối so với ghế van. Vì ren điều chỉnh trên thanh van có bước ren nhỏ và đầu thanh có dạng vát nhọn, nên kích thước lỗ thông thay đổi một cách từ từ. Trong các hệ thống thủy lực, van kim là loại lỗ thông biến thiên được sử dụng phổ biến nhất.

Hình 9-2: Các loại lỗ thông biến thiên. Van kim (phía dưới) là loại phổ biến nhất trong hệ thống thủy lực — đầu vát nhọn và ren mịn của nó cho phép điều chỉnh lưu lượng một cách rất chính xác và từ từ.

Ứng dụng van kim trong một mạch

Mạch điện ví dụ sử dụng một bơm chuyển vị dương có lưu lượng 5 gpm (18,95 L/phút), một van an toàn, một van điều khiển hướng, một lỗ tiết lưu biến đổi (van kim) và một xi-lanh thủy lực có diện tích piston là 3 in² (19,35 cm²). Nếu van an toàn được điều chỉnh ở áp suất 500 psi (34,48 bar) và bơm cung cấp lưu lượng 5 gpm:

Khi van kim hạn chế lưu lượng chỉ còn 2 gpm (7,58 L/phút), tốc độ cần = 2 × 19,25 ÷ 3 = 13 ft/phút (3,96 m/phút). Van an toàn giới hạn áp suất hệ thống ở mức 500 psi (34,48 bar) bằng cách dẫn phần lưu lượng còn lại là 3 gpm (11,37 L/phút) về bể chứa.

Mở lỗ tiết lưu của van kim

Vặn lỏng van kim làm tăng kích thước lỗ tiết lưu — nhiều lưu lượng hơn đi qua vào xi-lanh, cho đến khi đạt giới hạn áp suất của van an toàn. Tốc độ cần tăng lên.

Đóng lỗ tiết lưu của van kim

Vặn chặt van kim làm giảm kích thước lỗ tiết lưu. Lưu lượng đi vào xi-lanh giảm, do đó tốc độ cần giảm.

Ảnh hưởng của chênh lệch áp suất lên lưu lượng

Dòng chảy qua một lỗ tiết lưu bị ảnh hưởng bởi chênh lệch áp suất. Vì áp suất là năng lượng tiềm năng trong một hệ thống thủy lực, nên chênh lệch áp suất càng lớn giữa hai bên lỗ tiết lưu, thì lưu lượng chảy qua càng cao.

Ví dụ thường ngày — tấm đệm hơi

Sau một ngày ở bãi biển hoặc khu cắm trại, bạn tháo nút bịt khỏi tấm đệm hơi đã được bơm căng và để không khí thoát ra tự do. Vì chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài khá nhỏ, nên tấm đệm xẹp dần từ từ. Hãy bóp mạnh tấm đệm — áp suất bên trong tăng lên so với áp suất khí quyển, chênh lệch áp suất tăng lên và không khí thoát ra nhanh hơn.

Bóp nhẹ một tuýp kem đánh răng — một lượng nhỏ kem sẽ chảy ra. Bóp mạnh hơn — nhiều kem đánh răng hơn bị đẩy ra và có thể bắn xuống sàn. Nếu dẫm lên tuýp kem đánh răng, chênh lệch áp suất giữa bên trong tuýp và áp suất khí quyển lớn hơn khi bóp bằng tay, do đó lượng kem đánh răng thoát ra nhiều hơn và nhanh hơn.

Ảnh hưởng của chênh lệch áp suất đến lưu lượng qua van kim trong một mạch

Trong mạch điện được thể hiện, van kim hạn chế lưu lượng bơm 5 gpm (18,95 L/phút) xuống còn 3 gpm (11,37 L/phút). Áp suất đặt của van an toàn là 500 psi (34,48 bar). Sức cản tải là 200 psi (14 bar). Áp suất đầu vào của van kim bằng áp suất đặt của van an toàn: 500 psi (34,48 bar). Trong số 500 psi (34,48 bar) này, 200 psi (14 bar) dùng để vượt qua sức cản tải; chênh lệch áp suất còn lại là 300 psi (21 bar) làm cho dòng chảy 3 gpm (11,3 L/phút) đi qua van kim, tạo ra tốc độ chuyển động của cần piston là 19,25 ft/phút (5,87 m/phút). Lưu lượng còn lại là 2 gpm (7,58 L/phút) đi qua van an toàn về bể chứa.

Tăng áp suất đặt của van an toàn

Giữ nguyên áp suất tải và cài đặt van kim, tăng áp suất đặt của van an toàn lên 600 psi (41,38 bar): áp suất đầu vào của van kim lúc này là 600 psi (41,38 bar). Trong đó, 200 psi (14 bar) dùng để vượt qua tải; chênh lệch áp suất 400 psi (28 bar) hiện nay làm cho dòng chảy 4 gpm (15 L/phút) đi qua van kim. Tốc độ chuyển động của cần piston tăng lên 26 ft/phút (7,92 m/phút).

Áp suất tải tăng lên

Đặt lại van xả về 500 psi (34,48 bar) với van kim không thay đổi. Tải tăng: áp suất tải tăng lên 400 psi (28 bar). Áp suất đầu vào của van kim vẫn là 500 psi (34,48 bar), nhưng lúc này chỉ còn chênh lệch áp suất 100 psi (6,9 bar) để điều khiển dòng chảy qua van kim — chỉ còn 1 gpm (3,79 lpm). Tốc độ cần giảm xuống 6 ft/phút (30 mm/giây). Phần lưu lượng còn lại là 4 gpm (15 lpm) đi qua van xả.

Điều này cho thấy lưu lượng qua van kim thay đổi khi có bất kỳ biến động áp suất nào ở phía bất kỳ bên nào của lỗ tiết lưu. Để điều tiết lưu lượng chính xác qua van kim, những biến động áp suất này phải được loại bỏ hoặc bù trừ.

Van điều khiển tốc độ (van điều khiển lưu lượng có bù áp)

Từ các ví dụ trên, bất kỳ sự thay đổi áp suất nào ở hai bên của lỗ tiết lưu đều ảnh hưởng đến lưu lượng qua van kim, từ đó làm thay đổi tốc độ của bộ chấp hành. Để điều tiết chính xác lưu lượng qua lỗ tiết lưu bất kể sự biến thiên áp suất, những biến thiên áp suất này phải được bù trừ. Van kim là một loại van điều khiển lưu lượng không có chức năng bù áp — đây là một thiết bị đo lưu lượng tốt miễn là chênh lệch áp suất duy trì không đổi và đầu kim được căn chỉnh chính xác ở tâm. Đối với việc điều khiển lưu lượng chính xác hơn, cần sử dụng van điều khiển lưu lượng có bù áp (van điều khiển tốc độ). Đây là một bộ điều khiển lưu lượng có khả năng bù trừ các thay đổi áp suất ở phía thượng lưu và hạ lưu của lỗ tiết lưu.

Các van điều khiển tốc độ (van điều khiển lưu lượng có bù áp) có thể được chia thành hai loại: loại điều tiết vào (meter-in) và loại đi tắt (bypass).

Cấu tạo của van điều khiển tốc độ loại điều tiết vào

Van điều khiển lưu lượng có bù áp loại điều tiết vào gồm thân van có cổng vào và cổng ra, van kim, trục trượt bù áp và lò xo định vị.

Nguyên lý hoạt động của loại điều tiết vào

Để hiểu cách hoạt động của loại van điều khiển lưu lượng vào (meter-in), chúng ta phân tích từng bước hoạt động của nó. Khi van bù dịch chuyển hoàn toàn sang phía A, toàn bộ dầu có áp suất đầu vào sẽ đi đến lỗ tiết lưu của van kim. Miễn là van bù dịch chuyển nhẹ về phía B, dầu có áp suất đầu vào sẽ bị tiết lưu. Để giữ cho đường dẫn dòng chảy luôn mở, van bù được đẩy về phía A bởi lực của lò xo. Áp suất tại cửa vào của van kim được cảm nhận thông qua một đường dẫn điều khiển nội bộ đến đầu A của van bù — khi áp suất tăng vượt quá lực đẩy của lò xo, van bù sẽ dịch chuyển về phía B.

Nếu điều chỉnh lỗ thông van kim sao cho lưu lượng bơm đi qua nhỏ hơn toàn bộ lưu lượng bơm, thì áp suất đầu vào van kim sẽ tăng lên bằng giá trị thiết lập của van xả. Khi áp suất đầu vào van kim vượt quá lực lò xo của piston bù, piston bù sẽ dịch chuyển về phía B, làm giảm lưu lượng dầu đầu vào. Khi lưu lượng đi qua lỗ thông của piston bù bằng với lưu lượng đầu ra của bơm, áp suất đầu vào van kim sẽ ổn định ở giá trị áp suất lò xo. Ví dụ, với giá trị lò xo là 100 psi (6,89 bar) và van xả được thiết lập ở 500 psi (34,48 bar): áp suất đầu vào là 500 psi (34,48 bar); khi dầu chảy qua lỗ thông của piston bù, 400 psi (28 bar) sẽ chuyển thành nhiệt, làm giảm áp suất đầu vào van kim xuống còn 100 psi (6,89 bar). Điều này có nghĩa là bất kể áp suất đầu vào của van điều khiển lưu lượng là bao nhiêu, nhờ tác động của piston bù, áp suất đầu vào van kim luôn được giữ ổn định ở mức 100 psi (6,89 bar).

Hình 9-5: Van điều khiển tốc độ kiểu vào (bù áp suất). Pittông bù duy trì chênh lệch áp suất qua van kim không đổi bất kể sự thay đổi áp suất đầu vào hay đầu ra — đảm bảo lưu lượng chính xác và ổn định.

Đối với mạch van kim trước đây, chênh lệch áp suất qua lỗ van kim chỉ là một phần câu chuyện — áp suất phía hạ lưu van kim cũng phải được bù. Nói cách khác, chênh lệch áp suất phải được giữ không đổi. Để đạt được điều này, áp suất phía hạ lưu van kim cũng được dẫn qua một đường điều khiển vào buồng lò xo tạo lực đẩy cho pittông bù. Giờ đây, hai lực tác động lên mặt A của pittông bù: lực lò xo và áp suất dầu phía hạ lưu.

Nếu lực lò xo = 100 psi (6,89 bar), chênh lệch áp suất qua van kim sẽ bị giới hạn ở mức cao hơn áp suất đầu ra ít nhất 100 psi (6,89 bar). Miễn là van xả được điều chỉnh đủ cao, chênh lệch áp suất qua lỗ van kim luôn bằng giá trị áp suất do lò xo tạo ra. Nhờ vậy, chênh lệch áp suất gây ra dòng chảy qua van kim luôn không đổi — không bị ảnh hưởng bởi các dao động áp suất đầu vào hoặc đầu ra.

Van điều khiển tốc độ kiểu cấp lưu lượng vào trong mạch

Trong mạch, van điều khiển tốc độ kiểu cấp lưu lượng (meter-in) được thiết lập ở mức 3 gpm (11,37 L/phút). Van an toàn được đặt ở áp suất 500 psi (34,48 bar), áp suất tải là 200 psi (13,79 bar). Lò xo của cụm van bù = 100 psi (6,89 bar). Bơm cố gắng đẩy toàn bộ lưu lượng 5 gpm (18,95 L/phút) qua van kim, khiến áp suất đầu vào van kim tăng lên. Khi đạt 300 psi (21 bar), cụm van bù dịch chuyển và hạn chế lưu lượng, làm cho áp suất đầu vào của bộ điều khiển lưu lượng tăng lên đến giá trị đặt của van an toàn là 500 psi (34,48 bar). Trong tổng số 500 psi (34,48 bar) này, 200 psi (13,79 bar) dùng để thắng áp lực tải; 100 psi (6,89 bar) dùng để duy trì lưu lượng qua van kim; phần còn lại là 200 psi (13,79 bar) trong tổng 500 psi sẽ chuyển thành nhiệt khi dòng chảy đi qua lỗ tiết lưu của cụm van bù. Lưu lượng tại đây là 3 gpm (11,37 L/phút) và tốc độ cần piston là 19 ft/phút (97,83 mm/giây).

Tăng áp suất tải và giá trị đặt của van an toàn

Nếu áp suất tải tăng lên 400 psi (27,58 bar) hoặc van xả được thiết lập lại ở mức 600 psi (41,38 bar), vẫn còn dòng chảy do chênh lệch áp suất 100 psi (6,89 bar) đi qua van kim. Miễn là áp suất xả được thiết lập đủ cao để dịch chuyển van bù, lưu lượng đầu ra tới xi-lanh sẽ giữ ổn định ở mức 3 gpm (11,37 L/phút).

Cấu tạo van điều khiển tốc độ kiểu nối tắt

Van điều khiển tốc độ kiểu nối tắt gồm thân van có các cổng vào, ra và hồi về thùng dầu, một van kim, một van bù và một lò xo đẩy.

Nguyên lý hoạt động của loại nối tắt

Van bù trong van này mở và đóng đường nối tắt dẫn về thùng dầu. Van bù được lò xo đẩy về vị trí đóng (vị trí thấp hơn). Nếu lực nén của lò xo là 100 psi (6,89 bar), thì áp suất đầu vào của van kim sẽ bị giới hạn ở mức 100 psi (6,89 bar). Khi van ở trạng thái ban đầu, toàn bộ lưu lượng đi qua van sẽ được dẫn trực tiếp về thùng dầu. Trong điều kiện vận hành bình thường, van bù luôn được lò xo đẩy giữ ở vị trí đóng.

Áp suất đầu vào của van kim được cảm nhận thông qua một đường dẫn điều khiển nội bộ đến phần trên của cụm trượt bù. Khi áp suất tăng cao hơn lực nén lò xo, cụm trượt bù hoạt động như một van xả — mở đường dẫn nối tắt, giới hạn áp suất đầu vào của van kim ở mức 100 psi (6,89 bar). Áp suất đầu vào cố định của van kim không đảm bảo lưu lượng không đổi — nếu áp suất đầu ra thay đổi, chênh lệch áp suất qua lỗ kim cũng thay đổi và lưu lượng sẽ thay đổi.

Để bù cho hiện tượng này, áp suất đầu ra của van kim được dẫn qua một đường dẫn điều khiển vào buồng lò xo tạo lực đẩy ngược cho cụm trượt bù. Lúc này, mặt A của cụm trượt bù chịu hai lực đẩy ngược: lực của lò xo và áp suất dầu đầu ra. Nếu lực lò xo tương ứng với 100 psi (6,89 bar), thì áp suất đầu vào của van kim sẽ bị giới hạn ở mức cao hơn áp suất đầu ra đúng bằng 100 psi (6,89 bar). Miễn là van xả được thiết lập ở áp suất đủ cao, chênh lệch áp suất qua lỗ kim sẽ luôn bằng 100 psi (6,89 bar) — không đổi.

Van điều khiển tốc độ kiểu nối tắt trong mạch

Van điều khiển tốc độ kiểu bỏ qua được thiết lập ở lưu lượng 3 gpm (11,37 L/phút). Áp suất xả: 500 psi (34,48 bar), áp suất tải: 200 psi (13,79 bar), lực căng lò xo: 100 psi (6,89 bar). Bơm cố gắng đẩy toàn bộ lưu lượng 5 gpm (18,95 L/phút) qua van kim. Pittông bù mở đường dẫn bỏ qua, giới hạn áp suất đầu vào của van kim ở mức 300 psi (20,68 bar). Trong số 300 psi này: 200 psi (13,79 bar) để thắng áp suất tải, 100 psi (6,89 bar) để đẩy lưu lượng 3 gpm (11,37 L/phút) qua van kim. Lưu lượng còn lại là 2 gpm (7,58 L/phút) đi qua khe hở của pittông bù và trở về bể dầu.

Hình 9-8: Mạch điều khiển tốc độ kiểu bỏ qua. Pittông bù chuyển hướng phần lưu lượng bơm dư trực tiếp về bể dầu thay vì đưa nó qua van xả. Giải pháp này tiết kiệm năng lượng hơn so với loại mạch điều khiển kiểu cấp lưu lượng vào vì phần lưu lượng dư không phải đi qua toàn bộ hệ thống ở áp suất cao.

Tăng áp suất tải và giá trị đặt của van an toàn

Nếu áp suất tải tăng lên 400 psi (27,58 bar) hoặc van xả được thiết lập lại ở 600 psi (41,38 bar), vẫn còn áp suất 100 psi (6,89 bar) đẩy dòng chảy qua van kim. Miễn là van xả được điều chỉnh đủ cao để mở cần trượt bù, lưu lượng đầu ra tới xi-lanh sẽ luôn không đổi ở mức 3 gpm (11,37 L/phút).

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với lưu lượng qua lỗ tiết lưu

Như đã đề cập ở đầu chương này, ba yếu tố chính ảnh hưởng đến lưu lượng qua lỗ tiết lưu là kích thước lỗ tiết lưu, chênh lệch áp suất và nhiệt độ dầu. Khi nhiệt độ dầu thay đổi, độ nhớt của dầu cũng thay đổi — và khi độ nhớt dầu thay đổi, lưu lượng qua lỗ tiết lưu cũng thay đổi theo. Đối với các lỗ tiết lưu cố định hoặc van kim, sự thay đổi lưu lượng do nhiệt độ gây ra thường không đáng kể vì kích thước lỗ tiết lưu và chênh lệch áp suất nói chung lớn hơn nhiều so với ảnh hưởng của độ nhớt. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng yêu cầu kiểm soát lưu lượng cực kỳ chính xác, cần phải tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ. Cả van điều khiển tốc độ kiểu cấp lưu lượng (meter-in) lẫn kiểu đi tắt (bypass) đều thường đáp ứng đầy đủ yêu cầu của các ứng dụng thủy lực công nghiệp thông thường.

Đối với các ứng dụng yêu cầu kiểm soát lưu lượng cực kỳ chính xác — bất kể sự thay đổi nhiệt độ — có thể sử dụng van điều khiển lưu lượng bù nhiệt. Loại van này cũng bù trừ ảnh hưởng của nhiệt độ.

Các công thức chính — Chương 9