Item: VAN ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT ( Pressure control valves ) - Van tràn, van giảm áp - Phân loại, cấu tạo và nguyên lý
Rating: 9.5
Author: Bùi Tấn Đạt

Bởi: Bùi Tấn Đạt - Lúc: 22:41

A. Giới thiệu
Trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực để thực hiện điều chỉnh áp suất (tăng hoặc giảm) trong hệ thống nhằm đảm bảo áp suất làm việc, bảo vệ hệ thống khỏi quá tải, thực hiện các hoạt động điều khiển trong hệ thống, người ta sử dụng các van điều khiển áp suất. Các van điều khiển áp suất thường dùng bao gồm: van tràn, van an toàn, van giảm áp.
Van tràn
+ Van tràn tác động trực tiếp
+ Van tràn tác động gián tiếp
Van giảm áp
+ Van giảm áp tác động trực tiếp
+ Van giảm áp tác động gián tiếp

B. Phân loại, nguyên lý và chức năng
1. Van tràn (Relief Valve )
- Van tràn dùng để hạn chế việc tăng áp suất trong hệ thống thủy lực nhằm đảm bảo áp suất trong hệ thống không vượt quá mức quy định.
- Van an toàn dùng để giới hạn sự tăng áp suất trong các thiết bị không vượt quá áp suất quy định nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị bằng cách xả dầu về bể khi áp suất tăng quá mức cho phép.
- Van tràn và van an toàn có kết cấu và nguyên lý hoạt động giống nhau và có thể dùng thay thế lẫn nhau. Chúng chỉ khác nhau ở chức năng dùng trong hệ thống. Sự khác nhau cơ bản giữa chức năng van tràn và van an toàn đó là: van tràn làm việc thường xuyên và tự động điều chỉnh để giữ áp suất trong hệ thống không vượt quá mức quy định, còn van an toàn chỉ mở dẫn dầu về bể khi áp suất ở các thiết bị tăng cao quá mức cho phép, tránh quá tải cho thiết bị (vị trí của van tràn và van an toàn trong hệ thống được chỉ ra trên hình 1.6a).
- Theo nguyên lý hoạt động, van tràn được phân làm 2 loại: van tràn tác động trực tiếp và van tràn tác động gián tiếp.
+ Van tràn tác động trực tiếp (Direct – operated relief valves)
Kết cấu van tràn tác động trực tiếp bao gồm: con trượt, thân van, lò xo, đĩa đặt lò xo và vít điều chỉnh (như trên hình 1.1.a).
Nguyên lý làm việc của van tràn dựa trên sự cân bằng tác dụng của những lực ngược chiều nhau tác dụng lên nút van hoặc con trượt: lực đàn hồi của lò xo và áp suất chất lỏng.
Khi áp suất đường dầu vào nhỏ hơn áp suất tràn của van (áp suất tràn của van được thiết lập bằng cách điều chỉnh lực đàn hồi của lò xo thông qua núm điều chỉnh (5)) thì con trượt ở vị trí đóng hoàn toàn, dầu không chảy qua van. Khi áp suất trong đường dầu vào lớn hơn áp suất tràn thì con trượt bắt đầu dịch chuyển và van tràn bắt đầu được mở, dầu được xả qua van cho tới khi áp suất trong đường dầu vào hạ xuống trở về mức áp suất tràn của van.

Hình 1.1. Van tràn tác động trực tiếp

1 – con trượt (spool); 2 – thân van (housing); 3 – lò xo; 4 – spring seat; 5 – núm điều chỉnh

a - Nguyên lý cấu tạo; b - Ký hiệu; c – Van tràn tác động trực tiếp của hãng Festo

Gọi : k là độ cứng của lò xo

xr là độ chồng của con trượt (khi có dầu tràn) [m];

x0 là độ biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu khi van tràn ở trang thái đóng hoàn toàn (P < áp suất tràn của van) [m];
Flx là lực điều chỉnh của lò xo [N]
Pr – áp suất tràn (áp suất dầu đầu vào khi van tràn bắt đầu mở) [Pa];

- Diện tích con trượt chịu tác dụng của áp suất P [m2].

Ta có: P. Ap = Flx (bỏ qua ma sát và trọng lượng của con trượt)
Flx = k.x0

- Khi áp suất đường dầu vào bằng áp suất tràn (P = Pr) và con trượt dịch chuyển đoạn xr, ta có:

Gọi x là độ dịch chuyển của con trượt; Ax – Tiết diện của tiết lưu cho dầu chảy qua. Khi đó lưu lượng qua van tràn được xác định như sau:

Như vậy, lưu lượng Q tỷ lệ với áp suất P theo hệ số tỷ lệ K.
- Đặc tính tĩnh của van tràn tác động trực tiếp biểu diễn sự phụ thuộc của lưu lượng tràn qua van vào áp suất dầu vào van. Trên hình 1.2 áp suất P tương ứng với lưu lượng Qr.
Pv ≤ Pr : Q = 0
Pr < Pv ≤ P : Q tăng từ 0 ÷ Qr
P < Pv : Q = Qr
(ở đây Pv là áp suất đường dầu vào van)
Đường đặc tính Q(P) phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ K. Đường đặc tính của van tràn càng gần với phương thẳng đứng thì chất lượng của van tràn càng tốt. Bởi vì khi đó van tràn sẽ hoạt động càng nhạy và ổn định áp suất dầu trong hệ thống về mức thiết lập càng nhanh.

Hình 1.2. Đặc tính tĩnh của van tràn tác động trực tiếp

Để đường đặc tính Q(P) gần với phương thẳng đứng thì hệ số K phải rất lớn, điều này đạt được khi b và Ap lớn tức là kích thước của van lớn, đồng thời độ cứng của lò xo k phải nhỏ. Tuy nhiên đàn hồi của lò xo phải đủ lớn để cân bằng được với lực gây bởi áp suất tràn. Điều đó là mâu thuẫn, do đó đối với những hệ thống cần van tràn có áp suất tràn lớn thì phải dùng tới van tran tác động gián tiếp.

+ Van tràn tác động gián tiếp (Pilot – operated relief valves)
Van tràn tác động trực tiếp không sử dụng được trong các hệ thống thuỷ lực có áp suất cao, vì kích thước của van và nút van sẽ lớn, lực lò xo phải tăng quá mức cho phép. Để giảm lực lò xo ở điều kiện áp suất và lưu lượng lớn, đồng thời tăng độ nhạy và độ ổn định áp suất trong van, người ta sử dụng van tràn tác động gián tiếp.
Về cấu tạo, van tràn tác động gián tiếp gồm: van chính có con trượt có đường kính lớn và lò xo có độ cứng nhỏ C1, van phụ có con trượt có đường kính nhỏ và lò xo có độ cứng lớn C2.
Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự cân bằng tác dụng của những lực ngược chiều nhau tác dụng lên nút van (con trượt): lực đàn hồi của lò xo và lực do áp suất chất lỏng trong khoang van chính (được thiết lập bởi van phụ trợ) với áp suất chất lỏng đầu vào.
Van tràn tác động gián tiếp hoạt động như sau:
+ Ban đầu khi áp suất đầu vào P nhỏ hơn áp suất tràn Pr1 của van phụ thì van phụ đóng và van chính cũng đóng và áp suất trong khoang van chính bằng áp suất vào van phụ.
+ Khi áp suất P tăng thì áp suất trong khoang van chính cũng tăng, khi áp suất này lớn hơn áp suất tràn Pr1 của van phụ thì van phụ mở cho dầu về bể, áp suất trong khoang van chính bằng áp suất tràn Pr1
+ Nếu áp suất P tiếp tục tăng thì hiệu áp suất (P - Pr1) cũng tăng cho đến khi lực tác động của hiệu áp suất này thắng lực đàn hồi của lò xo của van chính thì van chính mở cho dầu qua van chính về bể.

Hình 1.3. Van tràn tác động gián tiếp

a – cấu tạo; b - ký hiệu; c – van tràn tác động gián tiếp của hãng Festo

- Đặc tính tĩnh của van tràn tác động gián tiếp:
Quan sát hình 1.4. ta thấy đường đặc tính của van tràn tác động gián tiếp gần như thẳng đứng, do đó van tràn tác động gián tiếp hoạt động nhạy hơn và áp suất trong van ổn định hơn.

Hình 1.4. So sánh đặc tính tĩnh của van tràn tác động trực tiếp và tác động gián tiếp

Van tràn tác động bằng điện từ (Solenoid-operated relief valves )
- Cấu tạo:
Về kết cấu, van tràn tác động bằng điện từ gồm: van chính có con trượt có đường kính lớn và lò xo có độ cứng nhỏ C1, van phụ có con trượt có đường kính nhỏ và lò xo có độ cứng lớn C2, van đảo chiều điện từ, để điều khiển van tràn tác động bằng điện từ làm việc ở các mức áp suất khác nhau (như trên hình 1.5).
- Hoạt động:
Van tràn tác động bằng điện từ có nguyên lý hoạt động tương tự như van tràn tác động gián tiếp, chỉ khác là trong van tràn tác động bằng điện từ, bằng cách sử dụng van điện từ, van chính có thể sử dụng các van phụ với các mức áp suất khác nhau. Ví dụ trong hình 1.6.b, c, d là van tràn tác động gián tiếp sử dụng van đảo chiều điện từ để điều khiển mức áp suất làm việc của hệ thống.

Hình 1.5. Van tràn điều khiển gián tiếp (qua van phụ trợ tác động bằng van điện từ)

a - Ký hiệu; b – Cấu tạo và nguyên lý làm việc; c – hình dáng ngoài

Trên hình 1.5 trình bày ví dụ về van tràn tác động bằng điện từ. Bằng cách sử dụng van đảo chiều điện từ, van tràn tác động bằng điện từ này có thể làm việc ở nhiều mức áp suất khác nhau, tương ứng với các vị trí làm việc của van đảo chiều điện từ. Ở vị trí làm việc của van điện từ như trên hình 1.5.a, con trượt van chính sẽ mở khi áp suất dầu đầu vào (áp suất trong hệ thống) gây ra một lực thắng lực đàn hồi lò xo của van chính và lực gây ra bởi áp suất thiết lập bởi van phụ lên nòng van chính. Khi van điện từ ở vị trí còn lại thì con trượt van chính sẽ mở ra khi áp suất dầu ở đầu vào gây ra một lực thắng lực đàn hồi lò xo của van chính (vì trong trường hợp này áp suất thiết lập bởi van phụ bằng không).

+ Ví dụ lắp đặt van tràn trong hệ thống thuỷ lực
- Sử dụng van tràn trong hệ thống thủy lực:
Trên hình 1.6 a trình bày ví dụ lắp đặt van tràn, van an toàn trong mạch thủy lực, van an toàn được dùng gắn liền với bơm để tránh quá tải cho bơm. Khi đó van an toàn được thiết lập ở mức áp suất lớn nhất của bơm. Nó chỉ mở khi xảy ra quá tải. Van an toàn được thiết lập ở mức áp suất 80 bar, còn van tràn có mức áp suất thiết lập là 50 bar, hệ thống làm việc ở áp suất là 50 bar.
- Sử dụng van tràn tác động bằng điện từ:
Trên hình 1.6.b, c, d mô tả cách sử dụng van tràn tác động bằng điện từ sử dụng các van phụ trợ điều khiển từ xa, ở đây sử dụng van điện từ 4 cửa 3 vị trí, 2 van phụ trợ tác động từ xa là van tràn tác động tiếp với mức áp suất thiết lập lần lượt là 350 PSI và 700 PSI, và van phụ trợ có mức áp suất 1000 PSI sẵn có trong kết cấu của van tràn. Trong hình 1.6.c, van tràn làm việc với van phụ trợ có mức áp suất là 350 PSI, khi đó áp suất làm việc của hệ thống là 350 PSI; còn trong hình 1.6.d, van phụ trợ là van có mức áp suất là 700PSI, khi đó áp suất làm việc của hệ thống được điều chỉnh là 700 PSI.

Hình 1.6. Ví dụ lắp đặt van tràn vào hệ thống thuỷ lực

a – Lắp đặt van tràn và van an toàn trong hệ thống

b,c, d – Lắp đặt van tràn tác động gián tiếp sử dụng van solenoid để điều khiển trong hệ thống nhiều mức áp suất

2. Van giảm áp ( Presure reducing valves)
Van giảm áp được sử dụng khi cần cung cấp chất lỏng từ nguồn (bơm) cho một số cơ cấu chấp hành có áp suất làm việc khác nhau. Khi đó, phải thiết lập cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấu chấp hành để giảm áp suất đến trị số cần thiết (hình 2.3).
Có 2 dạng van giảm áp.

Dạng 1: Thiết lập quan hệ áp suất đầu vào và đầu ra của van P₁ và P₂

Cấu tạo của van: gồm phần tử điều khiển dạng ống trượt 1, ống trượt này bị ép vào đế bởi lò xo 2, lực ép của lò xo 2 được điều chỉnh bởi vít xoay 3. Cửa 4 của vỏ van nối với ống dẫn áp suất cao, cửa 5 của van nối với ống dẫn áp suất thấp. Ở vị trí ban đầu của van là vị trí bị ép vào đế đỡ, cửa vào và cửa ra không được thông nhau. Khi tăng áp suất cửa vào P₁, áp suất P₁ càng lớn tiết diện thông nhau giữa 2 cửa càng lớn và áp suất P₂ càng lớn.

Quan hệ giữa áp suất đầu vào và đầu ra của van thể hiện bằng biểu thức dưới, lực lò xo ban đầu P_npvà C độ cứng của lò xo.

Dạng 2: Giữ cố định áp suất P₂tại cửa ra của van – vì vậy có thể gọi là van ổn áp

Van giảm áp dạng này giữ cố định áp suất tại cửa ra của van mà không phụ thuộc vào độ biến động áp suất của dòng chất lỏng tới hoặc đi khỏi van. Có 2 loại van dạng 2: van tác động trực tiếp và van tác động gián tiếp.

+ Van giảm áp tác động trực tiếp (Direct – operated pressure reducing valves)
Nguyên tắc làm việc của van giảm áp dựa trên sự cân bằng tác dụng của những lực ngược chiều nhau tác động lên con trượt: lực đàn hồi của lò xo và lực do áp suất của chất lỏng tại cửa ra. Chất lỏng từ đường dầu vào có áp suất P qua van giảm áp ra cửa A có áp suất thấp hơn PA. Như vậy, qua van giảm áp, áp suất dầu giảm từ P xuống PA.
Ta có: PA < P và

(Ap – là diện tích con trượt)

Do đó áp suất PA được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh lực đàn hồi của lò xo thông qua vít điều chỉnh. Trên hình 2.1 trình bày cấu tạo và hoạt động của van giảm áp tác động trực tiếp.
- Nguyên lý hoạt động của van giảm áp tác động trực tiếp như sau:
Khi áp suất ở A tăng thì lực tác dụng lên đầu bên trái của con trượt lớn hơn lực đàn hồi của lò xo làm cho con trượt dịch chuyển sang phải, thu hẹp đường dẫn dầu từ P sang A, làm cho áp suất tại cửa A giảm, do đó con trượt lại dịch chuyển sang trái và mở rộng đường dẫn dầu từ P sang A và áp suất tại A lại tăng lên. Cứ như vậy cho đến khi áp suất tại A ổn định ở mức thiết lập.
Tuy nhiên, van giảm áp kiểu con trượt được thiết kế để con trượt đóng và mở rất nhanh và chỉ một đoạn dịch chuyển ngắn của con trượt cũng làm thay đổi nhanh chóng áp suất, do vậy áp suất tại cửa A nhanh chóng được đưa về giá trị ổn định. Ngoài ra còn có thể dùng van giảm áp tác động trực tiếp 3 cửa (3 – way pressure regulator).

Hình 2.1. Van giảm áp tác động trực tiếp

a – nguyên lý cấu tạo; b – ký hiệu; c - van giảm áp tác động trực tiếp 3 cửa

Van giảm áp tác động trực tiếp 3 cửa hoạt động theo nguyên lý tương tự như van giảm áp tác động trực tiếp 2 cửa trong hình 2.1.a, dầu chảy vào P từ đường cao áp và chảy ra đường thấp áp ở cửa A, cửa T nối với đường dầu về bể. Chỉ khác là khi áp suất tại cửa A tăng cao hơn mức áp suất tràn thiết lập tràn của van thì con trượt sẽ dịch chuyển sang phải và mở thông đường dầu từ A sang T, đóng hoàn toàn đường dẫn dầu từ P sang A, dầu sẽ tràn từ A qua T và đảm bảo áp suất tại A không vượt quá mức nhất định.

+ Van giảm áp tác động gián tiếp (Pilot– operated pressure reducing valves)
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của van giảm áp tác động gián tiếp được trình bày như trên hình 2.2.
- Về kết cấu, van giảm áp tác động trực tiếp gồm: thân van, van chính (gồm con trượt và lò xo van chính), van phụ trợ (gồm con trượt và lò xo van phụ trợ) và vít điều chỉnh.
- Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự cân bằng tác dụng của những lực ngược chiều nhau trên nút van: lực đàn hồi của lò xo và lực do áp suất của chất lỏng trong khoang van chính (thiết lập bởi van phụ trợ) với áp suất dầu tại cửa ra.
Van giảm áp tác động gián tiếp hoạt động như sau:
Dòng dầu chảy vào từ cửa P, qua van, ra ở cửa A và có áp suất thấp hơn. Áp suất trong khoang van chính được điều chỉnh nhờ van phụ trợ. Khi áp suất ở cửa A tăng lên, làm cho hiệu áp suất giữa 2 đầu lỗ tiết lưu tăng, lực tác dụng do nó gây ra lên con trượt van chính tăng, lớn hơn lực đàn hồi của lò xo van chính làm cho con trượt dịch chuyển sang phải hạn chế dòng dầu chảy từ P qua A, giảm áp suất ở cửa A về mức ổn định như điều chỉnh. Dòng dầu chảy qua lỗ tiết lưu về bể gây hao tổn hao năng lượng và làm nóng dầu trong hệ thống.
Nếu áp suất tại A giảm thì lực đàn hồi của lò xo van chính làm cho con trượt dịch chuyển sang trái làm cho khe hở từ P qua A lớn hơn, lưu lượng dầu chảy tử P qua A lớn hơn và áp suất tại A tăng trở về mức ổn định như thiết lập.

Hình 2.3. Nguyên lý cấu tạo và ký hiệu của van giảm áp tác động gián tiếp

Trong trường hợp cần dùng van giảm áp cho phép dầu chảy theo chiều ngược lại, khi áp suất ở đầu ra lớn hơn áp suất đường vào thì có thể dùng van giảm áp có chứa van một chiều bên trong như trong hình 2.3.c.
Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp tác động từ xa để van giảm áp tác động gián tiếp có thể làm việc ở nhiều mức áp suất khác nhau. Trong trường hợp này, van giảm áp tác động gián tiếp có thêm cửa để nối tới van phụ trợ tác động từ xa, cấu tạo như trên hình 2.3.c.
Van giảm áp điều khiển gián tiếp được dùng trong những hệ thống có áp suất làm việc lớn, lưu lượng dòng dầu cao và nó có phạm vi điều chỉnh áp suất rộng hơn van giảm áp điều khiển trực tiếp.

+ Một vài ví dụ lắp đặt van giảm áp trong hệ thống thuỷ lực
- Sử dụng trong hệ thống thuỷ lực có 2 xi-lanh thuỷ lực làm việc ở 2 mức áp suất khác nhau (hình 2.4). Xi lanh 1 làm việc ở mức áp suất 2000 PSI và áp suất này được thiết lập nhờ van tràn , xi lanh 2 làm việc ở mức áp suất 800 PSI bằng cách dùng van giảm áp thiết lập mức áp suất 800 PSI.
- Sử dụng van giảm áp tác động bằng điện từ cho hệ thống thuỷ lực làm việc với nhiều mức áp suất khác nhau. Trên hình 2.5 trình bày hoạt động của van giảm áp sử dụng van đảo chiều điện từ để điều chỉnh áp suất của hệ thống ở 3 mức áp suất khác nhau: 350 PSI, 700 PSI, và 900 PSI. Trong hình 2.5.a van giảm áp làm việc với mức áp suất thiết lập bởi van phụ trợ sẵn có của van là 900 PSI, còn trong hình 2.5b và 2.5c nó làm việc với áp suất thiết lập ở van phụ trợ tác động từ xa có mức áp suất thiết lập lần lượt là 350 PSI và 750 PSI. Chú ý rằng van phụ trợ từ xa phải có mức áp suất thiết lập nhỏ hơn mức áp suất thiết lập của van phụ trợ sẵn có.