Thiết kế một hệ thống thủy lực cho các điều kiện nhiệt độ cao yêu cầu nhiều hơn là chỉ chọn dầu thủy lực chịu nhiệt, vòng đệm chịu nhiệt, hoặc bộ làm mát dầu lớn hơn.
Hệ thống có thể hoạt động đáng tin cậy trong mùa hè hoặc trong môi trường nóng khác phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản:
- Hệ thống thủy lực sinh ra bao nhiêu nhiệt
- Hệ thống có thể loại bỏ bao nhiêu nhiệt
- Liệu bơm, van, ống dẫn, bể chứa và bộ chấp hành có duy trì hiệu quả sau khi dầu trở nên nóng hay không
Một hệ thống chỉ được thiết kế để thử nghiệm ở nhiệt độ phòng, chu kỳ hoạt động ngắn, hoặc áp suất tối đa có thể trông bình thường trong quá trình triển khai. Tuy nhiên, sau vài giờ hoạt động liên tục, nhiệt độ dầu có thể tiếp tục tăng, chuyển động có thể chậm lại, áp suất có thể trở nên không ổn định, và rò rỉ có thể tăng lên.
Mục tiêu chính của việc thiết kế hệ thống thủy lực nhiệt độ cao là thiết lập một sự cân bằng nhiệt ổn định trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu về áp suất, lưu lượng, tốc độ và kiểm soát của máy móc.
Xác định điều kiện vận hành nhiệt độ cao thực tế
Bước đầu tiên là phân biệt giữa nhiệt độ môi trường, nhiệt độ dầu thủy lực, và nhiệt độ linh kiện cục bộ.
Nhiệt độ không khí ngoài trời không phải lúc nào cũng phản ánh môi trường hoạt động thực tế của hệ thống thủy lực. Một đơn vị nguồn thủy lực được lắp đặt trong một khoang kín, gần động cơ, bên cạnh ống xả, hoặc gần lò hơi có thể trải qua nhiệt độ cao hơn nhiều so với không khí xung quanh.
Trước khi thiết kế hệ thống, xác nhận:
- Nhiệt độ môi trường bình thường và tối đa
- Nhiệt độ dầu bình thường được dự kiến
- Nhiệt độ dầu tối đa cho phép
- Thời gian vận hành liên tục ở nhiệt độ cao
- Áp suất làm việc và áp suất đỉnh
- Lưu lượng tối đa và trung bình
- Tần suất chu kỳ máy
- Thời gian giữ áp suất cao
- Thời gian nhàn rỗi hoặc chờ
- Nguồn nhiệt bên ngoài
Áp suất tối đa và lưu lượng tối đa một mình không đủ để ước lượng tải nhiệt.
Ví dụ, một hệ thống có thể có áp suất đỉnh cao nhưng chỉ sử dụng nó trong một vài giây mỗi chu kỳ. Sự sinh nhiệt trung bình của nó có thể vẫn ở mức vừa phải. Một hệ thống khác có thể hoạt động ở áp suất thấp hơn nhưng liên tục điều chỉnh lưu lượng lớn, sản xuất nhiều nhiệt theo thời gian.
Do đó, chu kỳ vận hành hoàn chỉnh cần được đánh giá thay vì phụ thuộc chỉ vào các giá trị đỉnh.
Giảm thiểu việc phát sinh nhiệt không cần thiết
Thiết kế hệ thống thủy lực nhiệt độ cao nên cải thiện hiệu suất năng lượng trước khi yêu cầu bộ làm mát loại bỏ mọi tổn thất năng lượng có thể tránh được.
Năng lượng thủy lực được chuyển hóa thành nhiệt khi dầu chảy qua các van xả, van điều chỉnh, ống hạn chế và các thành phần bị mòn.
Thiết kế nên tránh:
- Hoạt động liên tục của van xả
- Thời gian dài của lưu lượng áp suất cao từ máy bơm có dung tích cố định
- Lưu lượng bơm vượt quá yêu cầu của bộ chấp hành
- Lưu lượng lớn đi qua van tỷ lệ ở lỗ nhỏ
- Lưu lượng bơm liên tục sau khi bộ chấp hành đạt đến điểm cuối của hành trình
- Thời gian giữ áp suất dài chỉ được hỗ trợ bởi lưu lượng bơm
- Các lối đi của van không đủ kích cỡ
- Bơm và van hoạt động xa khỏi phạm vi làm việc hiệu quả của chúng
Đối với các máy có nhu cầu lưu lượng thay đổi lớn, bơm có thể thay đổi lưu lượng hoặc điều khiển cảm biến tải có thể làm giảm lưu lượng dư thừa và tổn thất áp suất.
Đối với hệ thống bơm cố định, nên xem xét một mạch xả tải để bơm không bị giữ ở áp suất cao trong các khoảng thời gian không hoạt động.
Khi hệ thống phải giữ áp suất hoặc duy trì tải trong một thời gian dài, các giải pháp khả thi bao gồm:
- Bình tích áp thủy lực
- Vận hành bơm điều khiển bằng công tắc áp suất
- Mạch giữ áp suất lưu lượng thấp
- Van kiểm tra điều khiển bằng pilot
- Van đối trọng hoặc van giữ tải
- Mạch khóa cơ khí hoặc thủy lực độc lập
Giảm thiểu sự phát sinh nhiệt bên trong giúp hạ nhiệt độ dầu và cũng có thể giảm tiêu thụ điện năng của động cơ, tiếng ồn, mòn bơm và chi phí vận hành.
Tối ưu thiết kế ống dẫn và bể chứa
Đường kính và bố trí ống ảnh hưởng đến sức cản hút, tổn thất áp suất, áp suất ngược của đường hồi và phát sinh nhiệt.
Việc chọn ống không nên chỉ dựa trên kích thước ren của các cổng linh kiện. Đường kính bên trong nên được chọn dựa trên lưu lượng tối đa thực tế, tốc độ dầu chấp nhận được và sự chênh lệch áp suất cho phép.
Các điểm thiết kế quan trọng bao gồm:
- Giữ cho đường hút ngắn và không bị cản trở
- Tránh các khúc cong và gập góc quá mức
- Chọn các đường áp suất cho lưu lượng vận hành tối đa
- Cung cấp đường kính đường hồi đủ lớn
- Kiểm tra khả năng lưu lượng của các khớp nhanh
- Tránh sử dụng ống quá dài không cần thiết
- Phù hợp các đặc tính của bộ lọc và bộ làm mát với lưu lượng thực tế
- Tính toán tổn thất áp suất tổng hợp của các linh kiện lắp đặt theo chuỗi
Đường hồi thường bị đánh giá thấp.
Nếu bộ lọc hồi, bộ làm mát, phụ kiện và ống tạo ra sức cản quá lớn, bơm phải tạo ra áp suất bổ sung để trả dầu về bể chứa. Sự mất áp suất này liên tục được chuyển đổi thành nhiệt.
Bể chứa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc làm mát, giải phóng không khí, lắng đọng tạp chất và tách nước.
Một bể chứa cho vận hành liên tục ở nhiệt độ cao nên có:
- Thể tích dầu hiệu quả đầy đủ
- Diện tích bề mặt bên ngoài đủ lớn
- Vị trí cổng hút và hồi chính xác
- Các thành phần nội bộ
- Vận tốc dầu hồi có kiểm soát
- Thời gian lưu giữ dầu thích hợp
- Phạm vi mức dầu được xác định rõ ràng
- Luồng không khí tốt xung quanh bồn chứa
Dầu hồi nóng không nên chảy trực tiếp vào khu vực hút của bơm. Một vách ngăn được đặt đúng vị trí tăng cường đường đi của dầu và cung cấp nhiều thời gian hơn cho việc giải phóng nhiệt và tách không khí.
Bể chứa cũng nên được lắp đặt xa các động cơ, ống xả, lò sưởi và các nguồn nhiệt bên ngoài khác khi có thể.
Thiết kế hệ thống làm mát theo tải nhiệt
Một bộ làm mát không nên được lựa chọn chỉ dựa trên lưu lượng bơm hoặc kích thước kết nối.
Hệ thống làm mát nên dựa trên:
- Dự kiến nhiệt phát sinh
- Nhiệt độ dầu hoạt động mục tiêu
- Nhiệt độ môi trường cao nhất vào mùa hè
- Thời gian hoạt động liên tục
- Lưu lượng dầu qua bộ làm mát
- Sự sụt giảm áp suất bên dầu
- Điều kiện luồng không khí hoặc nước làm mát có sẵn
- Không gian lắp đặt
- Biến đổi tải máy
- Dự trữ làm mát cần thiết
Bộ làm mát dầu bằng không khí thường phổ biến trên thiết bị di động và các hệ thống không có nguồn cung cấp nước ổn định. Hiệu suất thực tế của chúng, tuy nhiên, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, luồng không khí của quạt, độ sạch của cánh tản nhiệt và vị trí lắp đặt.
Không khí nóng thải ra từ bộ làm mát phải có khả năng thoát ra khỏi khoang. Nếu không khí bị kéo trở lại vào bộ làm mát, sự tuần hoàn nhiệt có thể giảm đáng kể khả năng làm mát.
Bộ làm mát dầu bằng nước thường phù hợp hơn cho thiết bị tĩnh, hệ thống chạy liên tục và tải nhiệt cao. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng, chất lượng nước, sự ăn mòn và kiểm soát sự đóng cặn.
Một biên độ thiết kế hợp lý nên được đưa vào cho nhiệt độ môi trường cao hơn mong đợi, chu kỳ sản xuất tăng lên, hoặc mở rộng hệ thống trong tương lai.
Tuy nhiên, khả năng làm mát không nên được sử dụng để bù đắp cho lưu lượng thoát liên tục, giảm áp quá mức hoặc rò rỉ nội bộ nghiêm trọng. Các nguồn nhiệt nên được giảm bớt trước khi hoàn thiện kích thước bộ làm mát.
Chọn dầu thủy lực phù hợp và các linh kiện chống nhiệt
Dầu thủy lực phải nằm trong khoảng nhớt yêu cầu của bơm và các thành phần điều khiển trong suốt dải nhiệt độ dự kiến.
Việc chọn dầu nên xem xét:
- Nhiệt độ khởi động tối thiểu
- Nhiệt độ dầu hoạt động bình thường
- Nhiệt độ dầu tối đa
- Thang độ nhớt yêu cầu
- Chỉ số nhớt
- Khả năng kháng oxy hóa
- Hiệu suất chống mài mòn
- Hiệu suất giải phóng không khí
- Khả năng chống bọt
- Khả năng tách nước
- Tương thích với vật liệu niêm phong
Dầu quá nhớt làm tăng lực hút, bộ lọc và kháng trở ống. Dầu trở nên quá loãng làm gia tăng sự rò rỉ nội bộ trong bơm, van, xy lanh và mô tơ.
Dầu thủy lực cao nhiệt có thể cải thiện khả năng giữ độ nhớt và chống oxy hóa, nhưng không thể khắc phục hiệu suất mạch kém hoặc làm mát không đầy đủ.
Cần phải lựa chọn các gioăng, ống, cuộn điện từ, cảm biến, đầu nối và các thành phần điện với nhiệt độ vận hành liên tục của chúng, không chỉ theo chỉ số đỉnh ngắn hạn.
Việc chọn gioăng và ống cần xem xét nhiệt độ dầu, nhiệt độ môi trường, áp suất, sự dao động áp suất, loại chất lỏng, tốc độ di chuyển và sự tiếp xúc với nhiệt bên ngoài.
Khi các thành phần không thể di dời ra khỏi động cơ hoặc hệ thống xả, có thể cần đến các tấm chắn nhiệt, ống bảo ôn hoặc điều chỉnh đường ống.
Tăng cường kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ nhiệt độ
Nhiệt độ cao làm gia tăng quá trình oxy hóa dầu thủy lực và tăng mức độ hư hại do không khí, nước và các phần tử rắn gây ra.
Hệ thống do đó nên bao gồm:
- Lọc phù hợp với yêu cầu độ sạch của thành phần
- Bộ lọc với khả năng lưu lượng đủ
- Chỉ báo áp suất chênh lệch hoặc báo động tắc nghẽn
- Một bộ thông hơi bể chứa phù hợp
- Kiểm soát nước và ngưng tụ
- Điểm thoát và vệ sinh
- Điền dầu mới đã được lọc
- Cổng lấy mẫu dầu
Các hệ thống sử dụng van tỷ lệ, van servo hoặc các thành phần chính xác khác thường yêu cầu kiểm soát ô nhiễm nghiêm ngặt hơn.
Việc giám sát nhiệt độ cũng cần được bao gồm trong thiết kế ban đầu.
Những vị trí giám sát hữu ích bao gồm:
- Bể chứa
- Đường ống trở chính
- Cửa vào của bộ làm mát
- Cửa ra của bộ làm mát
- Cửa ra của bơm
- Nước xả của bơm
- Buồng thiết bị khép kín
Hệ thống điều khiển có thể tự động:
- Khởi động quạt làm mát
- Mở nguồn nước làm mát
- Kích hoạt cảnh báo nhiệt độ cao
- Giảm tần suất chu trình hoạt động
- Giới hạn các chuyển động tải nặng
- Dừng máy khi nhiệt độ trở nên không an toàn
Nhiệt độ báo động và ngừng hoạt động nên dựa trên giới hạn của dầu, bơm, gioăng, ống dẫn và các thành phần điện. Một cài đặt nhiệt độ chung không phù hợp với mọi hệ thống thủy lực.
Thông tin cần thiết trước khi thiết kế hệ thống nhiệt độ cao
| Danh mục | Thông tin để xác nhận |
|---|---|
| Nhiệt độ | Nhiệt độ môi trường bình thường và tối đa, nhiệt độ dầu dự kiến, nhiệt độ dầu tối đa cho phép |
| Áp lực | Áp suất làm việc, áp suất đỉnh, áp suất giữ, và thời gian giữ |
| Lưu lượng | Lưu lượng tối đa, lưu lượng trung bình, và lưu lượng cần thiết cho mỗi chuyển động |
| Chu kỳ làm việc | Chuỗi chuyển động, tần suất chu trình, thời gian nhàn rỗi, và thời gian hoạt động liên tục |
| Bộ truyền động | Số lượng, tải trọng, tốc độ, và hướng hoạt động của các silanh hoặc động cơ |
| Dầu thủy lực | Loại chất lỏng, độ nhớt, và bất kỳ môi trường đặc biệt nào |
| Cài đặt | Không gian, thông gió, bụi, tiếp xúc với nước, và nguồn nhiệt bên ngoài |
| Làm mát và điều khiển | Điều kiện làm mát bằng không khí hoặc nước, cảm biến, báo động, và yêu cầu dừng hoạt động |
Kết luận
Chìa khóa để thiết kế hệ thống thủy lực nhiệt độ cao không chỉ là lắp đặt một bộ làm mát lớn hơn hoặc thay thế các thành phần tiêu chuẩn bằng các phiên bản nhiệt độ cao.
Một thiết kế đáng tin cậy bắt đầu với nhiệt độ môi trường thực tế, nhiệt độ dầu, áp suất, lưu lượng, chu kỳ làm việc và thời gian hoạt động liên tục. Nhiệt dư không cần thiết từ lưu lượng xả, điều chỉnh, rò rỉ bên trong và mất áp suất nên được giảm thiểu trước.
Bơm, van, ống, bể chứa, bộ làm mát, dầu, con dấu, ống mềm và các thành phần điện phải được chọn lựa như một hệ thống nhiệt hoàn chỉnh.
Với việc kiểm soát ô nhiễm thích hợp, giám sát nhiệt độ, làm mát tự động và bảo vệ quá nhiệt, hệ thống thủy lực sẽ có khả năng duy trì hiệu suất ổn định tốt hơn trong mùa hè và các điều kiện hoạt động nhiệt độ cao khác.
