Mỗi bộ phận như bơm thủy lực, van và xi lanh có thể đều đáp ứng các thông số kỹ thuật riêng của mình, nhưng điều đó không nhất thiết có nghĩa là chúng sẽ hoạt động tốt khi kết hợp với nhau. Trong nhiều hệ thống thủy lực, hiệu suất kém thường xuất phát từ sự không tương thích giữa các bộ phận hơn là do một bộ phận nào đó bị lỗi.
Xi lanh quyết định mức lực và lưu lượng dầu mà máy cần. Bơm phải cung cấp lưu lượng cần thiết ở áp suất yêu cầu, trong khi các van phải điều khiển lưu lượng đó mà không gây ra tổn thất áp suất quá mức hoặc hạn chế chuyển động của bộ truyền động.
Một chuỗi ghép đôi thực tế là:
Tải trọng & Tốc độ → Xi lanh → Áp suất & Lưu lượng yêu cầu → Bơm → Van → Kiểm tra hệ thống
Việc hiểu rõ mối quan hệ này sẽ giúp tránh được những vấn đề thường gặp như lực xi-lanh không đủ, chuyển động chậm, sinh nhiệt quá mức và tiêu thụ năng lượng không cần thiết.
Bắt đầu quá trình lựa chọn hệ thống thủy lực phù hợp với xi-lanh
Khi lựa chọn các bộ phận thủy lực, xi lanh thường là điểm khởi đầu tốt nhất vì nó chuyển đổi năng lượng thủy lực thành lực và chuyển động thực tế mà máy móc cần.
Các thông số chính của xi lanh bao gồm đường kính lòng xi lanh, đường kính thanh piston, hành trình, áp suất làm việc và tốc độ chuyển động yêu cầu. Kích thước lòng xi lanh quyết định diện tích piston và do đó ảnh hưởng mạnh mẽ đến cả lực và lượng dầu cần thiết.
Mối quan hệ cơ bản giữa lực và thể tích của xilanh là:
F = P × A
nơi F là lực, P là áp suất và A là diện tích hiệu dụng của piston.
Đường kính trong lớn hơn sẽ tạo ra lực lớn hơn ở cùng mức áp suất, nhưng cũng cần nhiều dầu thủy lực hơn để đạt cùng tốc độ chuyển động. Điều này có nghĩa là việc thay đổi kích thước xi lanh có thể ảnh hưởng đến cả yêu cầu đối với bơm và van.
Đối với xi lanh một thanh, lực thu lại cũng cần được kiểm tra riêng biệt vì thanh làm giảm diện tích hiệu dụng ở phía thanh. Do đó, lực thu lại sẽ nhỏ hơn lực đẩy ra, trong khi tốc độ thu lại thường cao hơn khi được cung cấp cùng một lưu lượng.
Điều chỉnh áp suất bơm thủy lực cho phù hợp với lực của xi lanh
Khi đã xác định được đường kính trong xi lanh và lực cơ học cần thiết, có thể tính toán được áp suất hoạt động xấp xỉ.
Ví dụ, một xi-lanh có đường kính trong 80 mm có diện tích piston khoảng 5.027 mm². Ở áp suất 160 bar, lực đẩy lý thuyết của nó xấp xỉ:
F = P × A ≈ 80 kN
Công suất thực tế của xi-lanh sẽ thấp hơn một chút do ma sát cơ học và tổn thất áp suất thủy lực.
Do đó, máy bơm cần phải hoạt động ở mức áp suất đủ để bù đắp tải và tổn thất trong đường ống. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là việc lựa chọn một máy bơm có áp suất cao hơn nhiều sẽ tự động cải thiện hiệu suất của hệ thống.
Xi lanh, bơm, van, ống mềm, phụ kiện và bộ phân phối đều có các thông số áp suất định mức. Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực và cài đặt van xả áp phải luôn nằm trong phạm vi các thông số định mức cho phép của toàn bộ mạch.
Một sai lầm thường gặp trong việc lựa chọn là cố gắng khắc phục tình trạng lực xi lanh không đủ chỉ bằng cách tăng áp suất hệ thống. Nếu xi lanh quá nhỏ so với tải trọng, việc lựa chọn kích thước xi lanh phù hợp có thể là giải pháp tốt hơn so với việc liên tục tăng áp suất.
Điều chỉnh lưu lượng bơm thủy lực sao cho phù hợp với tốc độ xi lanh
Áp suất quyết định liệu xi lanh có thể chịu được tải trọng hay không, trong khi lưu lượng quyết định tốc độ di chuyển của nó.
Tốc độ của xi lanh có thể được ước tính dựa trên:
v = Q ÷ A
nơi v là tốc độ quay của xilanh, Q là dòng chảy và A là diện tích hiệu dụng của piston.
Giả sử một xilanh có đường kính trong 80 mm cần tốc độ kéo dài là 0,08 m/s. Lưu lượng lý thuyết cần thiết xấp xỉ là:
24 lít/phút
Do đó, máy bơm phải cung cấp lưu lượng hữu dụng xấp xỉ mức này nếu muốn xi lanh đạt được tốc độ mục tiêu.
Dung tích bơm, tốc độ quay và hiệu suất thể tích quyết định lưu lượng có thể đạt được:
Lưu lượng bơm ≈ Dung tích × Số vòng quay × Hiệu suất thể tích
Khi lựa chọn máy bơm thực tế, cần phải tính đến các tổn thất của hệ thống và điều kiện vận hành thực tế, thay vì chỉ tập trung vào việc đáp ứng chính xác nhu cầu lý thuyết của xi lanh.
Nếu cần vận hành đồng thời nhiều xi lanh hoặc động cơ thủy lực, thì nhu cầu lưu lượng của chúng cũng phải được xem xét tổng thể. Một máy bơm được thiết kế chỉ phù hợp với một bộ truyền động có thể khiến tất cả các chức năng bị chậm lại khi nhiều chức năng hoạt động cùng lúc.
Lựa chọn van thủy lực phù hợp với lưu lượng bơm
Khi lưu lượng bơm đã được thiết lập, các van phải có khả năng xử lý lưu lượng đó một cách hiệu quả.
Van có kích thước quá nhỏ sẽ gây ra sự cản trở. Khi dầu đi qua đường dẫn có độ cản cao, áp suất sẽ giảm dọc theo van. Điều này làm giảm áp suất cung cấp cho bộ truyền động và biến công suất thủy lực thành nhiệt.
Vì lý do này, khi lựa chọn van cần phải xem xét lưu lượng định mức và độ sụt áp dự kiến, không chỉ riêng kích thước cổng.
Ví dụ, nếu xi lanh cần lưu lượng khoảng 24 L/phút, van điều hướng phải có công suất lưu lượng liên tục cao hơn đáng kể so với lưu lượng vận hành thực tế trong các điều kiện áp suất dự kiến. Cần kiểm tra các đường cong lưu lượng-áp suất do nhà sản xuất cung cấp (nếu có).
Nguyên tắc này cũng áp dụng cho các bộ điều khiển lưu lượng, van một chiều, van cân bằng và các đường ống phân phối. Chỉ cần một bộ phận có kích thước không phù hợp cũng có thể làm giảm hiệu suất của toàn bộ hệ thống thủy lực.
Phù hợp chức năng của van thủy lực với hành vi của xi lanh
Công suất dòng chảy chỉ là một trong những yếu tố cần xem xét khi lựa chọn van. Cấu hình của van cũng phải phù hợp với cách thức hoạt động dự kiến của xi lanh.
Một xi lanh hai chiều thường cần một van định hướng có thể cấp và hồi dầu từ cả hai buồng của xi lanh. Một xi lanh một chiều có thể sử dụng cách bố trí van khác vì áp suất thủy lực thường chỉ làm xi lanh chuyển động theo một hướng duy nhất.
Điều kiện tải cũng rất quan trọng. Một xi lanh chịu tải theo phương thẳng đứng có thể cần van một chiều điều khiển bằng van dẫn hướng hoặc van cân bằng để ngăn chặn chuyển động mất kiểm soát. Một xi lanh cần điều chỉnh tốc độ có thể cần hệ thống điều khiển lưu lượng, trong khi các ứng dụng yêu cầu tốc độ hoặc vị trí thay đổi liên tục có thể sử dụng hệ thống điều khiển tỷ lệ.
Do đó, việc lựa chọn van phù hợp cần trả lời hai câu hỏi sau:
Van có thể chịu được áp suất và lưu lượng yêu cầu không?
và
Van này có đảm bảo chức năng điều khiển mà bộ truyền động yêu cầu không?
Cả hai yếu tố này đều phải chính xác thì hệ thống thủy lực mới có thể hoạt động bình thường.
Kiểm tra tổn thất áp suất trên toàn bộ mạch thủy lực
Áp suất của bơm không giống với áp suất cuối cùng tác động lên xi lanh.
Dầu có thể đi qua các van một chiều, bộ điều khiển lưu lượng, ống mềm, phụ kiện, bộ lọc và cụm van trước khi đến bộ truyền động. Mỗi bộ phận đều gây ra một mức tổn thất áp suất nhất định.
Ví dụ, nếu áp suất đầu ra của bơm là 160 bar nhưng mạch bị mất 10 bar trước khi đến xi lanh, thì trong điều kiện vận hành đó, áp suất tại bộ truyền động chỉ còn khoảng 150 bar.
Sự sụt áp cũng sinh ra nhiệt. Công suất thủy lực mất đi do sự cản trở có thể được ước tính gần đúng theo công thức sau:
Mất công suất (kW) = Chênh lệch áp suất (bar) × Lưu lượng (L/phút) ÷ 600
Đó là lý do tại sao việc chọn máy bơm có công suất quá lớn rồi sau đó hạn chế lưu lượng mạnh tại van thường không hiệu quả. Hệ thống có thể vẫn đạt được tốc độ xi lanh yêu cầu, nhưng lưu lượng máy bơm dư thừa đang bị chuyển hóa thành nhiệt.
Việc lựa chọn các bộ phận thủy lực phù hợp nhằm mục đích cung cấp áp suất và lưu lượng cần thiết mà không gây ra sự cản trở quá mức.
Ví dụ về việc lựa chọn phối hợp giữa bơm, van và xi lanh
Hãy xem xét một hệ thống thủy lực đơn giản với yêu cầu về xi lanh như sau:
| Tham số | Ví dụ |
|---|---|
| Đường kính xy lanh | 80 mm |
| Đường kính thanh | 40 mm |
| Tốc độ kéo dài cần thiết | 0,08 m/s |
| Áp suất làm việc | 160 bar |
| Yêu cầu về lưu lượng mở rộng | Khoảng 24 lít/phút |
| Lực kéo lý thuyết | Khoảng 80 kN |
Yêu cầu về xi lanh cho biết máy bơm phải cung cấp khoảng Lưu lượng hữu ích 24 L/phút ở áp suất vận hành quy định.
Do đó, cần lựa chọn máy bơm dựa trên lưu lượng mục tiêu, áp suất làm việc, tốc độ quay của máy bơm và hiệu suất dự kiến. Van điều hướng và các van điều khiển khác phải có thông số áp suất phù hợp với hệ thống và công suất lưu lượng cao hơn đáng kể so với lưu lượng làm việc thực tế.
Toàn bộ logic so khớp như sau:
Xi lanh 80 mm
→ cần khoảng 160 bar cho lực mục tiêu
→ cần khoảng 24 lít/phút ở tốc độ mục tiêu
→ xác định mức cần thiết Áp suất và lưu lượng bơm
→ xác định mức cần thiết Áp suất van và công suất lưu lượng
→ tiếp theo là việc xác minh Mất áp, nhiệt và hành vi điều khiển
Cách này đáng tin cậy hơn so với việc lựa chọn riêng rẽ bơm, van và xi lanh.
Những sai lầm thường gặp khi lựa chọn linh kiện thủy lực
Một sai lầm thường gặp là chỉ căn cứ vào áp suất tối đa để lựa chọn các bộ phận. Hai bộ phận có thể đều có thông số kỹ thuật là 250 bar, nhưng điều đó không có nghĩa là lưu lượng hoặc đặc tính điều khiển của chúng tương thích với nhau.
Một sai lầm khác là chỉ chọn van dựa trên kích thước đầu nối. Hai van có cùng kích thước đầu nối có thể có lưu lượng bên trong và độ sụt áp rất khác nhau.
Bơm có công suất quá lớn cũng có thể gây ra vấn đề. Lưu lượng lớn hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn. Nếu xi lanh không cần lưu lượng bổ sung đó, lưu lượng đó có thể phải được điều tiết hoặc dẫn trở lại bể chứa, dẫn đến tăng mức tiêu thụ năng lượng và sinh nhiệt.
Điều quan trọng là phải kết hợp các yêu cầu về lực và tốc độ của xi lanh phù hợp với áp suất và lưu lượng của bơm, sau đó đảm bảo các van có thể điều khiển lưu lượng đó một cách hiệu quả và an toàn.
Kết luận: Tích hợp hệ thống thủy lực thành một hệ thống thống nhất
Không bao giờ được chọn máy bơm thủy lực, van và xi lanh thủy lực như những bộ phận hoàn toàn độc lập.
Hãy bắt đầu từ tải trọng và chuyển động cần thiết. Dựa vào các yêu cầu này để xác định kích thước xi lanh, áp suất làm việc và lưu lượng cần thiết. Sau đó, chọn một máy bơm có khả năng cung cấp áp suất và lưu lượng đó, rồi chọn các van có thể đáp ứng công suất yêu cầu và cung cấp các chức năng điều khiển phù hợp.
Mối quan hệ ghép đôi cơ bản là:
Lực tác dụng lên xilanh → Áp suất
Tốc độ xi lanh → Lưu lượng
Bơm → Cung cấp áp suất và lưu lượng
Van → Điều khiển áp suất, lưu lượng và hướng dòng chảy
Khi các bộ phận này được phối hợp đúng cách, hệ thống thủy lực có thể đạt được lực, tốc độ và khả năng điều khiển theo yêu cầu, đồng thời giảm thiểu tổn thất áp suất không cần thiết, sự sinh nhiệt và việc thiết kế các bộ phận có kích thước quá lớn.
Bạn cần trợ giúp trong việc lựa chọn các bộ phận của hệ thống thủy lực?
AISOAR cung cấp các bộ nguồn thủy lực và giải pháp hệ thống thủy lực được thiết kế riêng theo thông số kỹ thuật của xi lanh, áp suất, lưu lượng, chu kỳ làm việc và các yêu cầu điều khiển.
Đối với một dự án hệ thống thủy lực OEM, việc cung cấp các thông số như đường kính trong xi lanh, đường kính thanh piston, hành trình, lực yêu cầu, tốc độ chuyển động, chu kỳ làm việc và nguồn điện sẵn có sẽ giúp đội ngũ kỹ sư của chúng tôi đánh giá để lựa chọn bơm, van và cấu hình hệ thống thủy lực phù hợp.
