Thủy lực hoạt động như thế nào: Nguyên tắc, thành phần & hệ thống

Thủy lực hoạt động như thế nào: Nguyên tắc cốt lõi

Thủy lực hoạt động bằng cách sử dụng chất lỏng có áp suất - hầu như luôn là dầu - để truyền lực và chuyển động từ điểm này sang điểm khác. Cơ sở vật lý cơ bản xuất phát từ Định luật Pascal, trong đó phát biểu rằng áp suất tác dụng lên một chất lỏng bị giam cầm được truyền đều theo mọi hướng trong chất lỏng. Nói một cách dễ hiểu: ấn vào một đầu của một hệ thống kín, chứa đầy chất lỏng và lực đó sẽ truyền tức thời và đồng đều đến bất cứ nơi nào bạn hướng nó.

Điều này làm cho thủy lực cực kỳ hữu ích. Một lực tương đối nhỏ tác dụng lên một diện tích lớn có thể tạo ra lực đầu ra lớn ở một diện tích nhỏ hơn - hoặc lực tương tự có thể di chuyển tải qua một khoảng cách lớn với khả năng kiểm soát tốt. Sự kết hợp đó của phép nhân lực, độ chính xác và độ nén đó là lý do tại sao hệ thống thủy lực cung cấp năng lượng cho máy đào, thiết bị hạ cánh máy bay, máy ép công nghiệp và hàng trăm máy móc khác cần xử lý tải trọng nghiêm trọng mà không có mối liên kết cơ học khổng lồ.

Trọng tâm của hầu hết các hệ thống thủy lực hiện đại là một Đơn vị năng lượng thủy lực (HPU) - một tổ hợp khép kín tạo ra, điều hòa và cung cấp chất lỏng có áp suất cho các bộ truyền động thực hiện công việc thực tế. Hiểu cách thức hoạt động của toàn bộ hệ thống có nghĩa là hiểu những gì xảy ra ở từng giai đoạn, từ bình chứa đến xi lanh và ngược lại.

Định luật Pascal và vật lý đằng sau phép nhân lực

Blaise Pascal đã xây dựng nguyên tắc của mình vào những năm 1650, nhưng các ứng dụng kỹ thuật của nó đã thành công trong cuộc Cách mạng Công nghiệp. Định luật rất đơn giản: trong một chất lỏng tĩnh, bất kỳ sự thay đổi áp suất nào tại một điểm đều được truyền mà không bị tổn thất đến mọi điểm khác trong chất lỏng. Không có đòn bẩy cơ học hoặc giảm tốc nào liên quan - bản thân chất lỏng mang tín hiệu.

Kết quả thực tế là một phương trình đơn giản nhưng có tác dụng mạnh mẽ:

Lực = Áp suất × Diện tích

Nếu bạn tác dụng áp suất 100 bar lên một xi lanh có diện tích pít-tông là 50 cm2 thì lực sinh ra là 50.000 N - khoảng 5 tấn. Mở rộng diện tích piston lên tới 500 cm2 ở cùng áp suất và bạn nhận được 500.000 N, hoặc 50 tấn. Máy bơm tạo ra áp suất 100 bar đó không thay đổi; chỉ có kích thước xi lanh mới thay đổi lực đầu ra. Khả năng mở rộng này không thể sánh được với các hệ thống cơ học thuần túy có độ nén tương đương.

Tuy nhiên, có một sự đánh đổi. Bạn không thể có được một cái gì đó mà không có gì. Một xi lanh lớn hơn tác dụng nhiều lực hơn sẽ di chuyển chậm hơn khi được cung cấp cùng tốc độ dòng chảy. Mối quan hệ giữa lưu lượng, áp suất và vận tốc là cố định: tăng lực bằng cách mở rộng pít-tông và pít-tông chuyển động chậm hơn tương ứng với cùng một công suất bơm. Đây là lý do tại sao các nhà thiết kế hệ thống thủy lực phải cân bằng kích thước bộ truyền động, công suất bơm và áp suất vận hành cho từng ứng dụng.

Tại sao chất lỏng được sử dụng thay vì liên kết không khí hoặc cơ học

Chất lỏng về cơ bản không thể nén được ở áp suất làm việc thực tế. Dầu thủy lực được nén tới 350 bar sẽ thay đổi thể tích dưới 2%. Khả năng gần như không thể nén được này có nghĩa là các bộ truyền động thủy lực phản ứng gần như ngay lập tức và giữ vị trí của chúng dưới tải mà không bị trôi - một đặc tính mà các hệ thống khí nén (dựa trên không khí) không thể sánh được, vì không khí có thể nén được và hoạt động giống như một lò xo hơn. Đối với các ứng dụng yêu cầu giữ tải chính xác, chẳng hạn như cần trục giữ tải giữa không trung hoặc lực kẹp duy trì máy ép, thủy lực là lựa chọn mặc định.

Các liên kết cơ học - bánh răng, đòn bẩy, vít me - về mặt lý thuyết có thể thực hiện các công việc tương tự, nhưng chúng trở nên to lớn và nặng ở mức lực cao. Máy ép thủy lực 100 tấn lắp vừa trong nhà xưởng. Tương đương cơ học sẽ lấp đầy một tòa nhà.

Các thành phần chính của hệ thống thủy lực

Mỗi mạch thủy lực - từ cột nâng đơn giản đến hệ thống lái tàu phức tạp - đều có chung một bộ thành phần cốt lõi. Mỗi bộ phận có một công việc cụ thể và sự thất bại của bất kỳ bộ phận nào thường khiến toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động.

Hồ chứa nước

Bể chứa chứa chất lỏng thủy lực khi nó không lưu thông trong hệ thống. Nó không chỉ làm được nhiều việc hơn là chỉ giữ dầu - một bể chứa được thiết kế tốt cho phép bọt khí thoát ra khỏi chất lỏng (khử khí), giúp tản nhiệt và cho phép các hạt chất gây ô nhiễm lắng xuống. Hầu hết các bể chứa đều có kích thước để chứa ít nhất ba đến năm lần tốc độ dòng chảy mỗi phút của máy bơm, giúp dầu có đủ thời gian dừng để tự điều hòa trước khi tuần hoàn. Trong các tổ hợp Bộ nguồn thủy lực công nghiệp, bể chứa thường là một bể thép hàn có cổng kiểm tra, nút xả, đồng hồ đo mức và bộ lọc thông hơi để cho phép trao đổi không khí mà không gây ô nhiễm.

Bơm thủy lực

Máy bơm chuyển đổi năng lượng cơ học (từ động cơ điện hoặc động cơ) thành dòng chất lỏng. Nó không trực tiếp tạo ra áp lực mà tạo ra dòng chảy. Áp suất chỉ tăng lên khi dòng chảy đó gặp điện trở trong mạch. Ba loại máy bơm chính được sử dụng trong hệ thống thủy lực là:

• Bơm bánh răng - đơn giản, chắc chắn và rẻ tiền; chuyển vị cố định; phổ biến trong các ứng dụng áp suất thấp lên tới khoảng 200–250 bar
• Máy bơm cánh gạt - êm hơn bơm bánh răng, khả năng chịu áp suất vừa phải, tốt cho các máy công cụ yêu cầu độ ồn thấp
• Máy bơm pít-tông - hiệu suất và khả năng chịu áp suất cao nhất, thường lên tới 400–700 bar; có sẵn ở dạng dịch chuyển cố định hoặc thay đổi; sự lựa chọn tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp và di động đòi hỏi khắt khe

Máy bơm piston có thể tích thay đổi đặc biệt có giá trị vì chúng điều chỉnh công suất đầu ra để phù hợp với nhu cầu thực tế, giảm đáng kể sự lãng phí năng lượng so với máy bơm có thể tích cố định phải bỏ qua dòng chảy dư thừa qua van xả.

Van điều khiển

Van định hướng, điều chỉnh và hạn chế dòng chất lỏng trong toàn mạch. Các loại chính là:

• Van điều khiển hướng (DCV) - xác định bộ truyền động nào nhận dòng chảy và nó di chuyển theo hướng nào; thường được vận hành bằng điện từ để điều khiển từ xa hoặc tự động
• Van giảm áp — hoạt động như mức trần an toàn của hệ thống; khi áp suất vượt quá điểm đặt, chúng sẽ mở và chuyển dòng chảy trở lại bể, ngăn ngừa hư hỏng linh kiện
• Van điều khiển dòng chảy - đo tốc độ dòng chảy tới bộ truyền động, kiểm soát tốc độ của nó độc lập với sự thay đổi của tải
• Kiểm tra van - chỉ cho phép dòng chảy theo một hướng, bảo vệ các bộ phận khỏi áp suất ngược và ngăn chặn sự trôi tải

Thiết bị truyền động: Xi lanh và động cơ

Cơ cấu chấp hành chuyển đổi năng lượng chất lỏng trở lại thành công cơ học. Xi lanh thủy lực tạo ra chuyển động tuyến tính - một thanh piston kéo dài và rút lại. Động cơ thủy lực tạo ra chuyển động quay, giống như một máy bơm chạy ngược. Lực xi lanh thường dao động từ vài kilonewton đối với máy móc nhỏ cho đến hàng chục nghìn kilonewton trong máy ép công nghiệp nặng và thiết bị nâng hạ ngoài khơi.

Bộ lọc và trao đổi nhiệt

Ô nhiễm là nguyên nhân số một gây ra hư hỏng bộ phận thủy lực - các nghiên cứu của các nhà sản xuất bộ phận đều cho rằng 70–80% sự cố thủy lực đến ô nhiễm chất lỏng. Bộ lọc loại bỏ các hạt rắn; hầu hết các hệ thống công nghiệp đều nhắm đến mức độ sạch ISO là 16/14/11 hoặc cao hơn. Bộ trao đổi nhiệt (bộ làm mát dầu) giữ nhiệt độ chất lỏng trong phạm vi vận hành được khuyến nghị, thường là 30–60 °C đối với hệ thống dầu khoáng. Quá nhiệt kéo dài làm giảm độ nhớt của dầu, đẩy nhanh quá trình oxy hóa và rút ngắn đáng kể tuổi thọ của phớt.

Đơn vị năng lượng thủy lực là gì và nó làm gì

A Bộ nguồn thủy lực (HPU) — đôi khi được gọi là bộ nguồn thủy lực — là nguồn năng lượng thủy lực được đóng gói trong một hệ thống. Nó tích hợp động cơ, máy bơm, bình chứa, van xả, bộ lọc và thường là bộ làm mát thành một cụm duy nhất, gắn trên thanh trượt có thể được lắp đặt và vận hành như một bộ phận. HPU là “phòng máy” của mạch thủy lực; mọi thứ ở hạ lưu - xi lanh, động cơ, van - đều kết nối trở lại với nó.

Trong môi trường công nghiệp, Bộ nguồn thủy lực có thể phục vụ một máy duy nhất hoặc cung cấp chất lỏng điều áp cho toàn bộ dây chuyền sản xuất thông qua một ống góp trung tâm. Các giàn khoan ngoài khơi thường sử dụng HPU có công suất vài trăm kilowatt để dẫn động các thiết bị ngăn chặn hiện tượng phun trào, bộ căng ống nâng và thiết bị xử lý đường ống. Ngược lại, một HPU nhỏ gọn dành cho máy ép tạo hình kim loại nhỏ có thể có động cơ 5 kW và bình chứa 20 lít.

Cân nhắc thiết kế đơn vị năng lượng thủy lực

Việc lựa chọn và chỉ định Bộ nguồn thủy lực bao gồm một số lựa chọn phụ thuộc lẫn nhau:

• Áp suất vận hành — hầu hết các HPU công nghiệp đều có áp suất định mức từ 150 đến 350 bar; áp suất cao hơn cho phép các bộ truyền động nhỏ hơn cho cùng một lực nhưng yêu cầu các vòng đệm và ống mềm cao cấp hơn
• Tốc độ dòng chảy - xác định tốc độ của bộ truyền động; phải phù hợp với số lượng và kích thước của bộ truyền động được phục vụ đồng thời
• Hồ chứa nước capacity — các hồ chứa lớn hơn cải thiện việc quản lý nhiệt và khử khí; hồ chứa có kích thước nhỏ dẫn đến quá nóng và xâm thực
• Loại động cơ - động cơ điện là tiêu chuẩn cho hệ thống lắp đặt cố định; Động cơ diesel hoặc xăng cung cấp năng lượng cho HPU di động ở những nơi không có điện lưới
• Kiểm soát sự tinh tế - các hệ thống bật/tắt cơ bản phù hợp với các ứng dụng đơn giản; HPU tỷ lệ hoặc được điều khiển bằng servo cho phép điều chỉnh lưu lượng và áp suất chính xác, cần thiết cho quá trình ép phun, máy CNC và giàn thử nghiệm

Một bộ nguồn thủy lực được thiết kế tốt cũng bao gồm các thiết bị đo: đồng hồ đo áp suất, cảm biến nhiệt độ, công tắc mức và thường là PLC hoặc bảng điều khiển để tự động hóa trình tự khởi động/dừng, theo dõi tình trạng chất lỏng và đưa ra cảnh báo lỗi. Thiết bị này biến HPU trần thành một hệ thống có thể quản lý và bảo trì.

Chất lỏng chảy qua một mạch thủy lực hoàn chỉnh như thế nào

Đi qua một chu trình vận hành hoàn chỉnh sẽ cho thấy mỗi thành phần đóng góp như thế nào. Lấy một mạch xi lanh tác động kép đơn giản - loại được sử dụng trong máy ép thủy lực hoặc bộ kẹp máy công cụ:

1. Động cơ điện trong Bộ nguồn thủy lực khởi động và dẫn động máy bơm. Máy bơm hút chất lỏng từ bể chứa thông qua bộ lọc hút.
2. Máy bơm cung cấp dòng dầu liên tục vào đường áp suất. Bởi vì bộ truyền động vẫn chưa chuyển động nên áp suất sẽ tăng lên nhanh chóng. Van giảm áp của hệ thống giám sát áp suất này và mở ra nếu nó vượt quá mức tối đa đã đặt, trả lại lượng dầu dư thừa về thùng chứa.
3. Người vận hành (hoặc PLC) cấp điện cho một van điện từ trên van điều khiển hướng, làm dịch chuyển ống cuộn của nó. Dầu bây giờ được dẫn đến đầu nắp của xi lanh - phía lỗ khoan đầy đủ - đẩy cần piston ra ngoài. Dầu hồi lưu từ đầu thanh truyền quay trở lại DCV và vào thùng chứa.
4. Xi lanh kéo dài và thực hiện công việc ép, kẹp, tạo hình. Áp suất hệ thống tăng lên để phù hợp với tải. Nếu tải rất nặng, áp suất sẽ đạt đến mức cài đặt van giảm áp. Nếu tải nhẹ, áp suất vẫn ở mức thấp và mức tiêu thụ năng lượng ở mức khiêm tốn.
5. Để rút lại, bộ điện từ ngắt điện (hoặc đảo chiều), DCV dịch chuyển trở lại và dầu chảy đến đầu thanh của xi lanh. Pít-tông rút lại và dầu thoát ra khỏi nắp trở lại bể.
6. Dầu hồi lưu đi qua bộ lọc đường hồi trước khi vào lại bể chứa, loại bỏ mọi chất ô nhiễm phát sinh trong chu trình.

Vòng hoàn chỉnh đó - từ bình chứa qua bơm, van, xi lanh và quay trở lại bình chứa - là một mạch thủy lực khép kín. Các hệ thống hiện đại bổ sung thêm các cải tiến: máy bơm biến thiên bù áp suất chỉ tạo ra dòng chảy khi bộ truyền động yêu cầu, van tỷ lệ cho phép tăng tốc độ trơn tru và bộ tích lũy lưu trữ chất lỏng có áp suất để đáp ứng nhu cầu cao điểm trong thời gian ngắn mà không làm máy bơm quá khổ.

Vai trò của tích lũy

Các khoản tích lũy xứng đáng được đề cập đặc biệt vì chúng thường bị hiểu lầm. Một bộ tích lũy thủy lực lưu trữ năng lượng trong chất lỏng có áp suất (loại bàng quang hoặc pít-tông là phổ biến nhất), sử dụng khí nitơ nén làm phương tiện lưu trữ năng lượng. Chúng phục vụ nhiều chức năng: làm dịu các xung áp suất từ ​​bơm bánh răng, cung cấp các đợt lưu lượng cao ngắn cần bơm lớn hơn nhiều và duy trì áp suất hệ thống khi bơm tắt (ví dụ: giữ phôi được kẹp trong khi máy quay vòng giữa các hoạt động). Trong các hệ thống khẩn cấp hoặc không an toàn - ví dụ như thiết bị hạ cánh của máy bay - bộ ắc quy cung cấp đủ năng lượng dự trữ để hoàn thành một hoạt động quan trọng ngay cả khi nguồn điện chính bị hỏng.

Chất lỏng thủy lực: Nó là gì và tại sao nó quan trọng

Chất lỏng không chỉ là môi trường thụ động - nó còn là vật liệu kỹ thuật quan trọng. Chất lỏng thủy lực phải đồng thời truyền công suất, bôi trơn các bộ phận chuyển động bên trong máy bơm và van, bảo vệ bề mặt kim loại khỏi bị ăn mòn, chống tạo bọt và duy trì ổn định trong phạm vi nhiệt độ rộng. Việc lựa chọn sai chất lỏng sẽ rút ngắn tuổi thọ của bộ phận và gây ra hoạt động thất thường của hệ thống.

Các loại chất lỏng được so sánh

• Dầu khoáng (ISO VG 46 hoặc 68) - công cụ chính của thủy lực công nghiệp; bôi trơn tốt, sẵn có rộng rãi, tiết kiệm chi phí; không phù hợp khi có mối lo ngại về nguy cơ hỏa hoạn hoặc ô nhiễm môi trường
• Chất lỏng chống cháy (HFA, HFB, HFC, HFD) - được sử dụng trong khuôn đúc, nhà máy thép, khai thác mỏ và các môi trường khác nơi rò rỉ chất lỏng có thể tiếp xúc với nguồn đánh lửa; thường đắt hơn và có đặc tính bôi trơn và tương thích khác nhau
• Chất lỏng phân hủy sinh học (ester tổng hợp hoặc gốc dầu thực vật) — được yêu cầu ở những địa điểm nhạy cảm với môi trường như các ứng dụng lâm nghiệp, hàng hải và nông nghiệp; thường đắt hơn với thời gian sử dụng ngắn hơn
• Hỗn hợp nước-glycol - chống cháy nhưng yêu cầu Bộ nguồn thủy lực và các bộ phận mạch được xếp hạng đặc biệt cho chất lỏng gốc nước; yêu cầu giám sát cẩn thận hàm lượng nước

Việc lựa chọn cấp độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành. Chất lỏng quá loãng ở nhiệt độ vận hành sẽ không đủ khả năng bôi trơn; quá nhớt khi khởi động sẽ gây ra hiện tượng tạo bọt (hình thành bọt khí ở đầu hút của máy bơm) và mất điện quá mức. ISO VG 46 phù hợp với hầu hết các ứng dụng công nghiệp có khí hậu ôn đới hoạt động ở 40–60 °C. Các ứng dụng có khí hậu lạnh hoặc tốc độ cao có thể yêu cầu VG 32 hoặc thấp hơn.

Hệ thống trung tâm mở và hệ thống trung tâm đóng

Thuật ngữ "tâm mở" và "tâm kín" mô tả điều gì xảy ra với dòng bơm khi tất cả các bộ truyền động ở trạng thái nghỉ - đây là một trong những lựa chọn thiết kế cơ bản nhất trong hệ thống thủy lực.

trong một hệ thống trung tâm mở , van điều khiển hướng cho phép dòng bơm lưu thông liên tục trở lại bể qua thân van khi bộ truyền động không hoạt động. Áp suất thấp (vừa đủ để vượt qua áp suất ngược của đường hồi lưu). Điều này đơn giản và đáng tin cậy — đó là cách bố trí tiêu chuẩn trong hầu hết các thiết bị di động (máy kéo, xe nâng, máy xây dựng) — nhưng nó lãng phí năng lượng liên tục tuần hoàn chất lỏng ngay cả khi không thực hiện công việc nào.

trong một hệ thống trung tâm đóng , van sẽ chặn dòng chảy khi bộ truyền động không hoạt động. Điều này buộc hệ thống phải sử dụng máy bơm có thể tích thay đổi (làm giảm công suất đầu ra của nó xuống gần bằng 0 khi không cần dòng chảy) hoặc một van xả dòng chảy vào bể ở áp suất rất thấp. Hệ thống trung tâm khép kín tiết kiệm năng lượng hơn và là tiêu chuẩn cho máy móc công nghiệp hiện đại và thiết bị di động hiệu suất cao. Bộ nguồn thủy lực trong các hệ thống này thường kết hợp các bộ điều khiển cảm biến tải, trong đó máy bơm điều chỉnh chuyển vị của nó trong thời gian thực để chỉ duy trì áp suất ở mức mà bộ truyền động hiện yêu cầu - thường là 20–30 bar trên áp suất tải.

Điện thủy lực và điều khiển tỷ lệ

Thủy lực truyền thống sử dụng van điện từ bật/tắt - bộ truyền động di chuyển ở tốc độ tối đa hoặc dừng lại. Thủy lực tỷ lệ thay thế những loại có van tỷ lệ hoặc van phụ điều chỉnh dòng chảy liên tục theo tỷ lệ với tín hiệu lệnh điện. Kết quả là khả năng điều khiển chuyển động trơn tru, có thể lập trình, có độ lặp lại cao, có thể được tích hợp với PLC, bộ điều khiển CNC và hệ thống tự động hóa dựa trên máy tính.

Van tỷ lệ hoạt động trên cùng các nguyên tắc thủy lực - áp suất, lưu lượng, Định luật Pascal - nhưng thêm một động cơ lực tuyến tính hoặc động cơ mô-men xoắn để định vị ống van một cách chính xác. Tín hiệu 0–10 V hoặc 4–20 mA từ bộ điều khiển ra lệnh cho van đến bất kỳ vị trí nào giữa đóng hoàn toàn và mở hoàn toàn. Van servo, biến thể chính xác hơn (và đắt tiền), có thể đạt được độ chính xác định vị dưới 0,01 mm trong các ứng dụng xi lanh vòng kín.

Các thiết kế của Bộ nguồn thủy lực hiện đại ngày càng kết hợp các điều khiển điện thủy lực ở cấp độ HPU: máy bơm biến thiên có điều khiển lưu lượng hoặc áp suất điện tử, động cơ bơm điều khiển bằng servo (trong đó bộ truyền động điện có tốc độ thay đổi thay thế bố trí bơm biến thiên động cơ tốc độ cố định truyền thống) và giám sát tình trạng tích hợp. HPU truyền động servo có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách 30–60% so với HPU bơm cố định thông thường trong các ứng dụng có chu kỳ nhiệm vụ thay đổi cao, chẳng hạn như ép phun hoặc đúc khuôn.

Các ứng dụng phổ biến và tại sao thủy lực lại thắng lợi

Hệ thống thủy lực xuất hiện ở bất cứ nơi nào cần lực cao, mật độ công suất hoặc kiểm soát tải chính xác. Các loại sau đây minh họa tại sao thủy lực vẫn chiếm ưu thế bất chấp sự gia tăng của các giải pháp thay thế cơ điện:

Thiết bị xây dựng và khai thác mỏ

Máy xúc, máy ủi và máy phá đá thủy lực dựa vào thủy lực vì không có công nghệ nào khác mang lại sự kết hợp giống nhau giữa lực cao, tốc độ thay đổi vô hạn và độ tin cậy chắc chắn trong một gói di động chạy bằng động cơ. Máy xúc 20 tấn thường chạy hai hoặc ba máy bơm piston có dung tích thay đổi được dẫn động bằng động cơ diesel, cung cấp chung vài trăm lít mỗi phút cho động cơ xoay, động cơ hành trình và xi lanh cần/tay/gầu - tất cả đều có thể điều khiển đồng thời và độc lập.

Tạo hình kim loại và ép công nghiệp

Máy ép dập, rèn và kéo sâu kim loại tấm sử dụng xi lanh thủy lực vì lực có thể được duy trì không đổi trong suốt hành trình - không giống như máy ép lệch tâm hoặc tay quay cơ học, có đường cong lực hình sin. Máy ép thủy lực có thể giữ toàn bộ trọng tải tại bất kỳ điểm nào trong hành trình của nó, điều này rất cần thiết để tạo thành tấm dày hoặc cho các hoạt động đúc chính xác. Máy ép thủy lực công nghiệp thường xuyên tạo ra lực 1.000 đến 10.000 tấn từ một sự sắp xếp đơn vị năng lượng thủy lực nhỏ gọn.

Hàng không vũ trụ và Hàng không

Bề mặt điều khiển chuyến bay, thiết bị hạ cánh và bộ đảo chiều lực đẩy của máy bay được dẫn động bằng thủy lực trên hầu hết các máy bay phản lực thương mại lớn. Boeing 747 vận hành ba hệ thống thủy lực độc lập, mỗi hệ thống hoạt động ở 207 thanh (3.000 psi) , với tổng dung tích hồ chứa khoảng 600 lít. Ở đây, thủy lực được ưa chuộng hơn vì chúng có mật độ công suất cao (nhỏ và nhẹ so với lực tạo ra), vốn đã cứng (chất lỏng không nén được có nghĩa là vị trí bề mặt chính xác) và được hiểu rõ về các chế độ hỏng hóc - quan trọng trong môi trường được chứng nhận an toàn.

Hàng hải và ngoài khơi

Thiết bị lái tàu, cần cẩu trên boong, nắp hầm, thiết bị ngăn chặn hiện tượng phun trào ngoài khơi và hệ thống kiểm soát đầu giếng dưới biển đều sử dụng thủy lực. Các thiết bị thủy lực ngoài khơi được thiết kế để hoạt động trong môi trường dễ nổ (xếp hạng ATEX) và thường bao gồm máy bơm dự phòng, bộ tích điện dự phòng khẩn cấp và giám sát chất lỏng liên tục. HPU dưới biển hoạt động ở độ sâu nơi áp suất xung quanh vượt quá 300 bar - một thách thức về thiết kế đòi hỏi các bể chứa được bù áp và các vòng đệm thành phần được xếp hạng đặc biệt.

Gia công nhựa và cao su

Máy ép phun là một trong những thị trường lớn nhất cho hệ thống thủy lực. Mỗi chức năng phun, kẹp và phóng đều yêu cầu các cấu hình áp suất và dòng chảy khác nhau trong một chu kỳ ngắn. HPU thủy lực servo đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành này, cung cấp khả năng chịu lực của thủy lực với hiệu suất năng lượng và khả năng lặp lại của truyền động điện. Thời gian chu kỳ dưới 10 giây là phổ biến đối với các bộ phận có khối lượng lớn, nghĩa là HPU có thể hoàn thành hàng trăm nghìn chu kỳ mỗi năm — độ bền và độ tin cậy là điều tối quan trọng.

Thủy lực so với khí nén và hệ thống cơ điện

Mỗi công nghệ truyền tải điện đều có điểm mạnh và điểm yếu thực sự. Sự lựa chọn giữa các hệ thống thủy lực, khí nén và cơ điện (vít bi, động cơ tuyến tính, giá đỡ và bánh răng) phụ thuộc vào mức lực, tốc độ, độ chính xác, môi trường và tổng chi phí sở hữu.

Các bộ truyền động tuyến tính cơ điện (đặc biệt là các bộ truyền động được điều khiển bởi động cơ servo thông qua vít bi) đã có những bước tiến đáng kể vào các ứng dụng từng bị thủy lực thống trị - đặc biệt là những nơi ưu tiên độ sạch, hiệu quả năng lượng và định vị chính xác, chẳng hạn như sản xuất dược phẩm hoặc thiết bị bán dẫn. Tuy nhiên, ở mức lực trên khoảng 50–100 kN, kích thước vật lý và chi phí của các giải pháp thay thế cơ điện trở nên hạn chế và thủy lực vẫn chưa có đối thủ.

Các sự cố thường gặp của hệ thống thủy lực và cách chẩn đoán chúng

Hệ thống thủy lực đưa ra các triệu chứng rõ ràng khi có sự cố xảy ra. Biết được từng triệu chứng chỉ ra điều gì sẽ giúp giảm đáng kể thời gian chẩn đoán.

Hiệu suất thiết bị truyền động chậm hoặc yếu

Khi xi lanh giãn nở chậm hoặc không thể đạt được lực tối đa, các nghi phạm thông thường là: bơm bị mòn (đường vòng bên trong làm giảm hiệu suất thể tích), van xả bị trôi xuống mức thấp hoặc bị kẹt mở, đối trọng bị rò rỉ hoặc van giữ tải, hoặc đường vòng xi lanh bên trong đi qua các vòng đệm bị mòn. Kiểm tra áp suất hệ thống bằng đồng hồ đo ở đầu ra của máy bơm sẽ cho biết ngay liệu máy bơm có tạo ra áp suất định mức hay không. Nếu áp suất bơm bình thường nhưng bộ truyền động chậm thì lỗi nằm ở hạ lưu - có thể là do van hoặc chính xi lanh.

Nhiệt độ quá cao

Dầu thủy lực hoạt động ở nhiệt độ trên 60–70 °C bị thoái hóa nhanh chóng, mất độ nhớt và ăn mòn các phớt chặn dầu. Quá nhiệt thường chỉ ra: bộ làm mát dầu có kích thước nhỏ hoặc bị tắc, van xả liên tục bị nứt (tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt), bơm chuyển mạch bên trong do mòn hoặc mạch đã được thiết kế lại để chạy ở công suất cao hơn thiết kế nhiệt ban đầu cho phép. Đo nhiệt độ hồng ngoại trên đường hồi lưu, bộ làm mát và các điểm chính xác của bình chứa nơi nhiệt được tạo ra.

Tiếng ồn và độ rung

Máy bơm rên rỉ hoặc la hét thường có nghĩa là tạo bọt - máy bơm không nhận được đủ chất lỏng ở đầu vào. Các nguyên nhân bao gồm bộ lọc hút bị tắc, ống hút bị sập, mức chất lỏng quá thấp hoặc chất lỏng có độ nhớt quá cao so với nhiệt độ vận hành. Tiếng gõ hoặc tiếng lạch cạch thường là do sục khí - không khí đi vào chất lỏng thông qua khớp hút lỏng hoặc phốt trục bị rò rỉ trên máy bơm, khiến bọt khí xẹp xuống dữ dội bên trong máy bơm. Cả hai tình trạng đều làm hỏng bộ phận bên trong máy bơm một cách nhanh chóng; xâm thực và sục khí là nguyên nhân hàng đầu khiến máy bơm bị hỏng sớm.

Rò rỉ bên ngoài

Rò rỉ dầu có thể nhìn thấy được là dấu hiệu rõ ràng nhất của hư hỏng phớt, khớp nối bị nứt hoặc ống mềm bị hư hỏng. Ngoài các mối nguy hiểm về an toàn và môi trường, rò rỉ bên ngoài cho thấy mức độ sạch của dầu đang bị ảnh hưởng khi thêm dầu trang điểm. Bất kỳ hệ thống nào bị mất hơn 1–2% lượng dầu mỗi tháng đều phải được điều tra kịp thời. Ống mềm thường có tuổi thọ sử dụng từ 5–7 năm bất kể tình trạng bên ngoài như thế nào và việc thay thế theo lịch trình là thông lệ tốt trong các ứng dụng công nghiệp chu kỳ cao.

Thực hành tốt nhất về bảo trì hệ thống thủy lực

Phần lớn các sự cố thủy lực đều có thể phòng ngừa được. Một chương trình bảo trì có kỷ luật tập trung vào độ sạch của chất lỏng, nhiệt độ và phát hiện lỗi sớm sẽ kéo dài tuổi thọ của bộ phận lên gấp hai đến năm lần so với các phương pháp phản ứng (sửa chữa khi nó bị hỏng).

• Lấy mẫu và phân tích dầu - lấy mẫu chất lỏng sau mỗi 500–1.000 giờ hoạt động; phân tích trong phòng thí nghiệm cho thấy mức độ ô nhiễm, hàm lượng nước, sản phẩm oxy hóa và kim loại mài mòn cho biết thành phần nào đang xuống cấp trước khi chúng hỏng hóc nghiêm trọng
• Thay thế bộ lọc - tuân theo khoảng thời gian bảo dưỡng của nhà sản xuất hoặc thay thế khi chỉ báo chênh lệch áp suất cho thấy phần tử đã được nạp; chạy với bộ lọc bị tắc sẽ đưa dầu bị ô nhiễm đi thẳng vào máy bơm
• Bảo trì bộ lọc thở - ống thông hơi của bể chứa thường là nguồn xâm nhập ô nhiễm lớn nhất; kiểm tra và thay thế theo lịch trình thường xuyên, đặc biệt trong môi trường bụi bặm
• Giám sát nhiệt độ - lắp đặt đồng hồ đo nhiệt độ hoặc cảm biến trên đường hồi lưu và đặt báo động ở 60 °C; điều tra bất kỳ nhiệt độ duy trì nào trên ngưỡng đó
• Kiểm tra ống và phụ kiện - tìm kiếm vết trầy xước, hư hỏng do tia cực tím và ăn mòn phụ kiện ở mọi dịch vụ; thay thế bất kỳ ống nào có biểu hiện hư hỏng bên ngoài bất kể tuổi tác
• Xu hướng hiệu suất máy bơm - đo định kỳ lưu lượng xả của vỏ máy bơm; lưu lượng xả tăng cho thấy độ hao mòn bên trong ngày càng tăng và dự đoán tuổi thọ còn lại của máy bơm trước khi đầu ra không đủ

Một bộ nguồn thủy lực được bảo trì phòng ngừa thích hợp sẽ mang lại Tuổi thọ sử dụng 20.000–40.000 giờ từ máy bơm và động cơ của nó - tương đương với 10–20 năm trong hoạt động công nghiệp hai ca. Các hệ thống bị bỏ quên hiếm khi đạt được một nửa số đó.

Những câu hỏi thường gặp về cách thức hoạt động của thủy lực

Chất lỏng nào được sử dụng trong hệ thống thủy lực?

Hầu hết các hệ thống thủy lực đều sử dụng dầu thủy lực gốc khoáng, thường là ISO VG 46 hoặc VG 68. Chất lỏng chống cháy, dầu phân hủy sinh học và hỗn hợp nước-glycol được sử dụng khi có yêu cầu về quy định về môi trường hoặc rủi ro hỏa hoạn. Chất lỏng phải tương thích với các vòng đệm, ống mềm và kim loại trong hệ thống — luôn tham khảo ý kiến ​​của nhà sản xuất thiết bị trước khi chuyển đổi loại chất lỏng.

Sự khác biệt giữa máy bơm thủy lực và động cơ thủy lực là gì?

Một máy bơm thủy lực được điều khiển cơ học (bằng động cơ điện hoặc động cơ) và chuyển năng lượng cơ học đó thành dòng chảy và áp suất chất lỏng. Động cơ thủy lực làm ngược lại - nó nhận chất lỏng có áp suất và chuyển nó thành đầu ra cơ quay. Về mặt lý thuyết, nhiều thiết kế máy bơm có thể chạy như động cơ, mặc dù trên thực tế máy bơm và động cơ được tối ưu hóa khác nhau cho các vai trò tương ứng của chúng.

Hệ thống thủy lực hoạt động ở áp suất bao nhiêu?

Hệ thống thủy lực công nghiệp thường hoạt động ở áp suất từ ​​100 đến 350 bar (1.450–5.000 psi). Thiết bị di động (máy xúc, cần cẩu) thường chạy ở áp suất 250–350 bar. Hệ thống thủy lực máy bay thường sử dụng áp suất 207 bar (3.000 psi), một số máy bay mới hơn chuyển sang áp suất 350 bar (5.000 psi) để tiết kiệm trọng lượng nhờ các bộ phận nhỏ hơn. Hệ thống siêu áp suất cho các ứng dụng đặc biệt có thể vượt quá 1.000 bar.

Tại sao hệ thống thủy lực quá nóng?

Hệ thống thủy lực tạo ra nhiệt bất cứ khi nào chất lỏng được tiết lưu qua van hoặc đi qua van xả - tất cả sự sụt giảm áp suất đó sẽ chuyển thành nhiệt. Quá nhiệt xảy ra khi nhiệt sinh ra vượt quá khả năng làm mát của hệ thống. Các nguyên nhân phổ biến bao gồm bộ làm mát có kích thước nhỏ, bộ làm mát hoặc bộ trao đổi nhiệt bị tắc, van xả liên tục mở, máy bơm có hiệu suất thể tích kém hoặc chu kỳ hoạt động đòi hỏi khắt khe hơn thiết kế ban đầu được chỉ định.

Bộ nguồn thủy lực bao gồm những gì?

Bộ nguồn thủy lực thường bao gồm một bình chứa, một động cơ điện (hoặc động cơ đốt cho các thiết bị di động), một hoặc nhiều máy bơm thủy lực, van giảm áp hệ thống, bộ lọc áp suất, bộ lọc đường hồi lưu, bộ lọc hơi, mức chất lỏng và đồng hồ đo nhiệt độ, và thường là bộ làm mát dầu. Các HPU phức tạp hơn bao gồm van định hướng, van giảm áp suất, điều khiển dòng chảy, bộ tích lũy và bảng điều khiển lập trình - mọi thứ cần thiết để tạo ra, điều hòa và cung cấp năng lượng thủy lực cho các bộ truyền động trong máy hoặc hệ thống mà nó phục vụ.

Hệ thống thủy lực có thể chạy mà không cần máy bơm không?

Không hoạt động bình thường - máy bơm là nguồn của mọi dòng chảy và gián tiếp là mọi áp suất. Tuy nhiên, bộ tích lũy thủy lực có thể cung cấp dòng chảy ngắn cho bộ truyền động sau khi máy bơm dừng lại. Hệ thống thủy lực khẩn cấp trên máy bay và một số máy móc công nghiệp dựa vào ắc quy để hoàn thành một hoạt động quan trọng (rút thiết bị hạ cánh, nhả phanh) ngay cả khi mất điện hoàn toàn. Bộ tích lũy lưu trữ năng lượng giống như pin điều áp nhưng có công suất hạn chế và không thể duy trì hoạt động liên tục.