Việc thiết kế hệ thống thủy lực nên bắt đầu từ các yêu cầu kỹ thuật của máy móc, thay vì bắt đầu từ việc lựa chọn máy bơm, van hay bộ nguồn thủy lực từ danh mục sản phẩm. Trước khi lựa chọn bất kỳ bộ phận thủy lực nào, điều quan trọng là phải hiểu rõ máy móc cần lực tác động bao nhiêu, bộ truyền động phải di chuyển với tốc độ như thế nào, tần suất hoạt động của hệ thống ra sao, cũng như mức độ kiểm soát và an toàn cần thiết là bao nhiêu.
Các yêu cầu này quyết định kích thước bộ truyền động, áp suất làm việc, lưu lượng yêu cầu, công suất bơm, cấu hình van và kiến trúc mạch thủy lực. Quy trình thiết kế hệ thống thủy lực thực tiễn có thể được tóm tắt như sau:
Yêu cầu tải → Thiết bị truyền động → Áp suất → Lưu lượng → Bơm và động cơ → Van → Kiến trúc mạch → Kiểm tra hệ thống
Xác định yêu cầu về hệ thống thủy lực
Bước đầu tiên là xác định chính xác chức năng mà hệ thống thủy lực phải thực hiện. Đối với hệ thống sử dụng xi lanh, các thông tin chính thường bao gồm lực yêu cầu, hành trình, tốc độ chuyển động, chu kỳ làm việc, số lượng bộ truyền động, trình tự vận hành và nguồn điện sẵn có. Môi trường làm việc và phương pháp điều khiển cần thiết cũng cần được xem xét.
Hai máy có thể yêu cầu cùng một lực xi-lanh nhưng vẫn cần các hệ thống thủy lực rất khác nhau. Ví dụ, một máy có thể chỉ hoạt động vài lần mỗi giờ trong khi máy kia hoạt động liên tục. Yêu cầu về lực của chúng có thể giống hệt nhau, nhưng các yêu cầu về bơm, động cơ, bình chứa dầu và hệ thống làm mát có thể rất khác nhau.
Vì lý do này, việc thiết kế hệ thống thủy lực cần dựa trên toàn bộ chu trình hoạt động của máy chứ không chỉ dựa trên tải trọng tối đa.
Xác định lực của xi lanh thủy lực và kích thước bộ truyền động
Đối với xi lanh thủy lực, mối quan hệ lực cơ bản là:
F = P × A
nơi F là lực tác dụng lên xilanh, P là áp suất thủy lực và A là diện tích hiệu dụng của piston.
Lực thiết kế thực tế thông thường cần bao gồm một biên độ an toàn phù hợp để bù đắp cho ma sát, tổn thất cơ học, gia tốc và các điều kiện tải trọng thay đổi. Nếu một máy móc yêu cầu lực thiết kế khoảng 65 kN và áp suất làm việc được chọn là 160 bar, diện tích piston cần thiết có thể được tính theo công thức sau:
A = F ÷ P
Điều này cho ra đường kính lỗ lý thuyết khoảng 72 mm. Trên thực tế, có thể chọn một đường kính lỗ tiêu chuẩn, chẳng hạn như 80 mm, sau khi kiểm tra các kích thước xi lanh có sẵn, không gian lắp đặt và biên độ an toàn cần thiết.
Luôn cần xem xét đồng thời đường kính trong xi lanh và áp suất hệ thống. Một xi lanh có đường kính trong lớn hơn có thể tạo ra lực lớn hơn ở cùng mức áp suất, nhưng cũng cần lượng dầu nhiều hơn để đạt được cùng tốc độ chuyển động.
Tính toán áp suất và lưu lượng của hệ thống thủy lực
Áp suất và lưu lượng đóng những vai trò khác nhau trong một hệ thống thủy lực. Áp suất chủ yếu liên quan đến tải trọng mà bộ truyền động có thể vượt qua, trong khi lưu lượng chủ yếu liên quan đến tốc độ của bộ truyền động.
Sau khi đã chọn kích thước xi lanh, lưu lượng cần thiết có thể được tính toán theo công thức sau:
Q = A × v
nơi Q là dòng chảy, A là diện tích hiệu dụng của piston và v là tốc độ của piston.
Đối với một xi lanh có đường kính trong 80 mm di chuyển với tốc độ 0,1 m/s, lưu lượng lý thuyết cần thiết là khoảng 30 L/phút. Trong hệ thống thực tế, cũng cần tính đến hiệu suất bơm, rò rỉ bên trong và tổn thất trong mạch.
Mối quan hệ này cũng rất quan trọng trong quá trình khắc phục sự cố. Nếu một xi lanh có đủ lực nhưng di chuyển quá chậm, việc tăng áp suất thường không phải là giải pháp đúng đắn. Thay vào đó, cần kiểm tra lưu lượng có sẵn và các điểm hạn chế trong mạch thủy lực.
Chọn bơm thủy lực và động cơ
Sau khi đã xác định được áp suất và lưu lượng yêu cầu, có thể tiến hành lựa chọn bơm thủy lực. Bơm phải đảm bảo lưu lượng đủ để đạt được tốc độ mong muốn của bộ truyền động, đồng thời hoạt động ổn định ở áp suất hệ thống yêu cầu.
Bơm bánh răng thường được sử dụng trong các hệ thống thủy lực tương đối đơn giản, trong khi bơm cánh gạt hoặc bơm piston có thể được lựa chọn trong những trường hợp yêu cầu áp suất cao hơn, hiệu suất tốt hơn, độ ồn thấp hơn hoặc lưu lượng thay đổi. Loại bơm phù hợp phụ thuộc vào toàn bộ ứng dụng chứ không chỉ dựa vào áp suất.
Công suất thủy lực có thể được ước tính bằng cách sử dụng:
Công suất Thủy lực (kW) = Áp suất (bar) × Lưu lượng (L/min) ÷ 600
Nếu hệ thống hoạt động ở áp suất 160 bar và lưu lượng 30 L/phút, công suất thủy lực lý thuyết sẽ vào khoảng 8 kW. Động cơ thực tế cần phải có công suất dự phòng để bù đắp cho các tổn thất do hiệu suất của bơm và các tổn thất cơ học, đồng thời phải tính đến tải đỉnh và chu kỳ làm việc.
Do đó, việc lựa chọn máy bơm nên được thực hiện sau khi đã xác định rõ các yêu cầu đối với bộ truyền động, chứ không phải trước đó.
Chọn van thủy lực phù hợp
Sau khi đã xác định các yêu cầu về công suất, bước tiếp theo là điều khiển hướng di chuyển của dầu và cách thức hoạt động của bộ truyền động. Một hệ thống thủy lực điển hình có thể cần các van điều khiển áp suất, van điều khiển hướng, van điều khiển lưu lượng và van điều khiển tải.
Van xả áp giới hạn áp suất tối đa của hệ thống, trong khi van điều hướng điều khiển quá trình mở rộng và thu hồi của xi lanh. Van điều khiển lưu lượng có thể điều chỉnh tốc độ của bộ truyền động, còn van một chiều ngăn chặn dòng chảy ngược không mong muốn. Các hệ thống có tải treo hoặc tải vượt quá giới hạn cũng có thể cần đến van một chiều điều khiển bằng van dẫn hướng hoặc van cân bằng.
Việc lựa chọn van không nên chỉ dựa trên kích thước cổng. Áp suất định mức, lưu lượng, sụt áp, đặc tính rò rỉ và phương pháp điều khiển đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống thủy lực. Một van có kích thước quá nhỏ có thể gây ra tổn thất áp suất không cần thiết, làm giảm công suất sẵn có của bộ truyền động và sinh ra nhiệt dư thừa.
Chọn kiến trúc mạch thủy lực
Sau khi xác định các chức năng của bơm, bộ truyền động và van, có thể lựa chọn kiến trúc mạch thủy lực hoàn chỉnh. Kiến trúc phù hợp phụ thuộc vào mức độ phức tạp của máy móc, số lượng chức năng, độ chính xác điều khiển yêu cầu và các mục tiêu về hiệu quả năng lượng.
Một hệ thống thủy lực trục hở Thông thường, van này cho phép dòng chảy từ bơm trở về bể chứa khi van điều hướng ở vị trí trung tính. Loại van này thường được sử dụng với các bơm dung tích cố định và phù hợp với nhiều hệ thống di động và công nghiệp đơn giản.
A hệ thống thủy lực trung tâm kín kiểm soát hoặc chặn đường dẫn lưu chất chính theo cách khác khi máy không di chuyển. Các hệ thống này thường được kết hợp với máy bơm bù áp hoặc máy bơm dung tích biến thiên và rất hữu ích trong những trường hợp cần điều khiển phức tạp hơn.
A hệ thống thủy lực cảm biến tải điều chỉnh công suất bơm theo áp suất và lưu lượng yêu cầu của chức năng đang hoạt động. Điều này có thể giúp giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng không cần thiết, đặc biệt là ở những máy móc mà tải trọng và lưu lượng yêu cầu thay đổi thường xuyên.
Mạch điện tiên tiến nhất không phải lúc nào cũng là lựa chọn tốt nhất. Kiến trúc mạch phải phù hợp với các yêu cầu vận hành thực tế, mục tiêu chi phí và mức độ kiểm soát cần thiết.
Kiểm tra thiết kế hệ thống thủy lực hoàn chỉnh
Sau khi mạch chính đã được thiết kế, các bộ phận phụ trợ cũng cần được kiểm tra. Bình chứa phải đảm bảo thể tích dầu làm việc đủ lớn và hỗ trợ quá trình tản nhiệt cũng như tách khí, trong khi hệ thống lọc phải đáp ứng các yêu cầu về độ sạch của bơm và các bộ phận điều khiển.
Kích thước của ống mềm, ống cứng, phụ kiện và bộ phân phối phải được lựa chọn sao cho tránh được tổn thất áp suất quá mức. Nếu đường dẫn lưu chất quá hẹp, công suất của bộ truyền động sẽ giảm và lượng năng lượng thủy lực bị chuyển hóa thành nhiệt sẽ tăng lên.
Hiệu suất nhiệt cũng cần được kiểm tra dựa trên chu kỳ làm việc thực tế. Hoạt động liên tục, hiện tượng giảm lưu lượng quá mức, tổn thất do van xả áp và rò rỉ bên trong đều có thể làm tăng nhiệt độ dầu. Tất cả các bộ phận chịu áp lực cũng cần được thiết kế với thông số kỹ thuật an toàn cao hơn so với các điều kiện vận hành dự kiến.
Ví dụ về thiết kế hệ thống thủy lực
Hãy xem xét một máy có các yêu cầu sau:
| Tham số | Ví dụ |
|---|---|
| Lực thiết kế yêu cầu | 65 kN |
| Áp suất làm việc | 160 bar |
| Đường kính xy lanh | 80 mm |
| Hành trình của xilanh | 500 mm |
| Tốc độ mục tiêu | 0,1 m/s |
| Lưu lượng yêu cầu | Khoảng 30 L/phút |
| Công suất thủy lực lý thuyết | Khoảng 8 kW |
Quy trình thiết kế sẽ như sau:
Tải trọng máy → Lựa chọn xi lanh → Áp suất làm việc → Lưu lượng yêu cầu → Lựa chọn bơm → Lựa chọn động cơ → Chức năng van → Mạch thủy lực → Kiểm tra hệ thống
Điểm quan trọng là các thông số này có mối liên hệ với nhau. Nếu đường kính trong của xi-lanh thay đổi, áp suất và lưu lượng yêu cầu cũng có thể thay đổi. Nếu tốc độ mục tiêu tăng lên, lưu lượng bơm và công suất động cơ có thể cần phải tăng theo. Nếu chu kỳ làm việc thay đổi từ chế độ hoạt động gián đoạn sang chế độ hoạt động liên tục, các yêu cầu về làm mát có thể trở nên quan trọng hơn.
Do đó, thiết kế hệ thống thủy lực là một quá trình lặp đi lặp lại chứ không chỉ đơn thuần là việc lựa chọn các bộ phận.
Những sai lầm thường gặp trong thiết kế hệ thống thủy lực
Một sai lầm thường gặp là chọn bơm trước, sau đó mới cố gắng thiết kế phần còn lại của hệ thống thủy lực sao cho phù hợp với bơm đó. Một sai lầm khác là chỉ tập trung vào áp suất tối đa mà bỏ qua lưu lượng, tốc độ và chu kỳ làm việc cần thiết.
Việc chọn công suất quá lớn cũng có thể gây ra các vấn đề. Một máy bơm cung cấp lưu lượng lớn hơn nhiều so với nhu cầu thực tế của máy có thể làm tăng công suất động cơ, gây ra hiện tượng hạn chế lưu lượng không cần thiết và sinh ra nhiều nhiệt hơn.
Một cách tiếp cận tốt hơn là xử lý lực, áp suất, lưu lượng, tốc độ, công suất và điều khiển là các biến số liên quan trong thiết kế hệ thống thủy lực.
Kết luận: Xây dựng một hệ thống thủy lực phù hợp
Hệ thống thủy lực cần được thiết kế theo phương pháp “từ yêu cầu của máy trở về”. Trước tiên, cần xác định tải trọng và chuyển động cần thiết, sau đó lựa chọn bộ truyền động và áp suất làm việc, tính toán lưu lượng cần thiết, chọn bơm và động cơ, xác định chức năng của các van và lựa chọn cấu trúc mạch phù hợp.
Cuối cùng, cần kiểm tra bể chứa, hệ thống lọc, tổn thất áp suất, nhiệt độ và các yêu cầu an toàn. Khi các yếu tố này được phối hợp đúng cách, hệ thống thủy lực có thể cung cấp lực, tốc độ và khả năng điều khiển theo yêu cầu mà không cần thiết kế quá khổ hay gây tổn thất năng lượng.
Bạn cần một hệ thống thủy lực được thiết kế riêng?
AISOAR cung cấp các bộ nguồn thủy lực và giải pháp hệ thống thủy lực được thiết kế riêng cho thiết bị công nghiệp và thiết bị di động. Cấu hình hệ thống có thể được thiết kế dựa trên các yêu cầu về áp suất, lưu lượng, thông số kỹ thuật xi lanh, chu kỳ làm việc, phương pháp điều khiển, nguồn điện và điều kiện vận hành của máy móc.
Đối với một dự án OEM mới, việc cung cấp thông tin về tải trọng máy, thông số kỹ thuật xi lanh, tốc độ chuyển động mục tiêu và chu kỳ làm việc sẽ giúp đội ngũ kỹ sư của chúng tôi đánh giá cấu hình hệ thống thủy lực phù hợp.
