VAN SERVO Thuy Khi c

Valve servo đóng vai trò nhận tín hiệu điện và chuyển thành tín hiệu dầu thủy lực để điều khiển valve tỷ lệ con trượt, được đóng vai trò... Nguyên lý làm việc Có hai nguyên lý hoạt động

VAN SERVO - CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Giới thiệu:

Van servo là dạng van phối hợp giữa hai loại van: van phân phối và van tiết lưu, kết hợp với tín hiệu điều khiển điện Van servo có thể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van với sai số khoảng 5% Van servo được dùng trong các mạch điều khiển tự động chẳng hạn ở các máy điều khiển rô-bốt, các máy gia công cơ khí, máy ép nhựa đắt tiền… xuất xứ từ Đức, Anh, Mỹ Hiện nay sản xuất và cung cấp van servo có thể đến các hãng Rexroth, MOOG (Mỹ) hay Juken (Nhật) và có giá thành dao động từ vài ngàn USD trở lên

Ưu nhược điểm:

+ Ưu điểm

- Với các hệ thống thủy lực yêu cầu làm việc mượt và độ chính xác cao

ở nhiều vận tốc và áp suất làm việc khác nhau trong các hành trình nhỏ, khi dùng van servo sẽ cho kết cấu gọn nhẹ và ít linh kiện thủy lực (giảm phức tạp đấu nối, tổn hao)

- Khi một hệ thống thủy lực làm việc, tải thường xuyên thay đổi và công suất bơm có thời điểm sẽ lớn hơn nhiều công suất cần thiết, dẫn đến tổn thất năng lượng Van servo có ưu điểm giúp bơm thủy lực điều chỉnh công suất phù hợp với tải khi tải thay đổi (bơm linh hoạt theo tải), nâng cao hiệu suất hệ thống

+ Nhược điểm

- Giá lắp đặt một hệ thống thủy lực có giá rất cao Nguyên nhân là bởi

vì van servo có giá thành đắt hơn nhiều so với các van thủy lực thông thường (ON/OFF), cộng thêm hệ thống điều khiển PLC đi kèm và yêu cầu hệ thống thủy lực phải đảm bảo kín, sạch

- Dải lưu lượng và áp suất làm việc cho phép nhỏ Vì nhược điểm này nên thông thường người ta sử dụng kết hợp van servo và van tỷ

lệ Valve servo đóng vai trò nhận tín hiệu điện và chuyển thành tín hiệu dầu thủy lực để điều khiển valve tỷ lệ con trượt, được đóng vai trò

valve làm việc chính Van loại này gọi là “High Response Control Valve”

Nguyên lý làm việc

Có hai nguyên lý hoạt động của valve servo:

1- Nguyên lý vòi phun - bản chắn: Tên nguyên thủy tiếng Anh là: Double Flapper Nozzle

2- Nguyên lý ống phun: Jet pipe

Các valve servo, dù theo nguyên lý nào, bao gồm 3 phần chính:

- Cụm coil điện nhận tín hiệu điều khiển gắn liền với một bộ phát tín hiệu dầu thủy lực

- Phần thứ 2 là bộ nhận tín hiệu thủy lực và biến đổi thành tín hiệu điều khiển lõi con trượt phân phối

- Phần thứ 3 là lõi con trượt phân phối làm nhiệm vụ cung cấp lượng dầu cần thiết theo tín hiệu điều khiển ở trên

Dưới đây mô tả nguyên lý làm việc của valve servo kiểu vòi phun - bản chắn hay vòi phun – cánh chặn

Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình gồm các chi tiết sau:

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt của van servo

• Nam châm vĩnh cửu

• Phần ứng và hai cuộn dây

• Cánh chặn và càng đàn hồi

• Ống đàn hồi

• Miệng phun dầu

Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu (flapper) mềm, ngàm với phần ứng (gắn cố định), tạo nên một kết cấu cứng vững Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng Nối với cánh chặn là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con trượt Khi dòng diện vào hai cuộn dây lệch nhau, dưới tác dụng của lực điện từ thì phần ứng bị hút

lệch sang phải - trái theo biên độ tỷ lệ với tín hiệu điện đưa vào coil, do

sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay

Có hai vòi phun (tiết lưu - Nozzle) được đặt giữa bản chắn này và cả hai vòi phun này cùng được cấp một áp suất Ps Khi bản chắn ở vị trí

"0", áp suất ở hai đầu vòi phun là như nhau giữ cho áp lực của hai phía lõi valve chia con trượt bên dưới là như nhau Lõi valve được cân bằng

ở vị trí "0"

Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, cánh chặn bị lệch đi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại), nó sẽ tiết lưu và làm thay đổi áp suất ở hai vòi phun Do chênh lệch áp suất ở hai vòi phun dẫn đến áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau và con trượt được di

chuyển tương ứng để mở các cửa dầu (Giữa lõi valve con trượt và bản chắn sẽ có một "que dò” hay “càng đàn hồi” để đẩy cánh chặn về vị trí

"0" khi lõi con trượt đã xác lập được vị trí "mở" yêu cầu theo tín hiệu điện từ đưa vào cuộn coil)

Như vậy:

- Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con trượt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau)

- Khi dòng điện i1 ≠ i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn Giả sử phần ứng quay thuận chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía phải rộng

ra và khe hở miệng phun phía trái hẹp lại, áp suất dầu vào hai buồng con trượt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con trượt di chuyển về bên phải, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đường dẫn dầu qua

van) Quá trình trên thể hiện ở hình 2b Đồng thời khi con trượt sang

phải thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con trượt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo Lúc này khe hở ở miệng phun phải hẹp lại và khe hở ở miệng phun trái rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con trượt ở vị

trí cân bằng Quá trình đó thể hiện ở hình 2c.

Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau Lượng di chuyển của con trượt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây

- Tương tự như trên nếu phần ứng quay theo chiều ngược lại thì con trượt sẽ di chuyển theo chiều ngược lại

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo

a Sơ đồ giai đoạn van chưa làm việc;

b Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển;

c Sơ đồ giai đoán hai của quá trình điều khiển.

Nguyên lý “JET-PIPE” cũng gần giống “DOUBLE FLAPPER

NOZZLE” Đường ống cấp dầu "mềm" sẽ được thổi vào 1 ống chữ V

và áp suất ở hai phía là như nhau Khi đầu phun lệch sang một bên do lực điện từ, áp suất phun ở hai phía bị lệch nhau và trở thành tín hiệu điều khiển lõi con trượt phân phối dầu

Qua nguyên lý của van servo để so sánh với van tỉ lệ ta nhận thấy Van

tỷ lệ thì bộ điều khiển chỉ làm cho dòng diện ở hai cuộn dây thay đổi,

do đó làm cho con trượt của van phân phối chính thay đổi nhưng lại không có sự phản hồi lại, có chăng thì ở một số loại van có thêm bộ chuyển đổi tuyến tính vị trí con trượt (LVDT) Nhưng van servo thì khác, van servo có sự phản hồi này, khi con trượt thay đổi vị trí thì sẽ tạo ra một mô men trên thanh phản hồi "feedback spring" (đầu dò hay càng đàn hồi nêu ở trên) làm cho cánh chắn trở về vị trí cân bằng và giữ yên vị trí của con trượt cho tới khi có tín hiệu thay đổi dòng điện

từ hai cuộn dây Vì lý do trên mà van servo có độ chính xác cao hơn.

Kết cấu của van servo

Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 1 và 2 trong van còn bố trí thêm

bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thước của van Để con trượt ở vị trí trung gian thì tín hiệu vào bằng không tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, người ta đưa vào kết cấu vít điều chỉnh

Các hình dưới là kết cấu của một số loại van servo được sử dụng hiện nay

Hình 3 Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo

a, b, Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo

c Ký hiệu van servo

Hình 4 Kết cấu của van servo một cấp điều khiển

1 Không gian trống; 2 Ống phun; 3 Lõi sắt của nam châm; 4 Ống đàn hồi;

5 Càng điều khiển điện thủy lực; 6 Vít hiệu chỉnh; 7 Thân của ống phun;

8 Thân của nam châm; 9 Không gian quay của lõi sắt năm châm; 10 Cuộn dây của nam châm; 11 Con trượt của van chính; 12 Buồng dầu của van chính.

Hình 5 Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển

1 Cụm nam châm; 2 Ống phun;

3 Càng đàn hồi của bộ phận điều khiển điện thủy lực;

4 Xylanh của van chính; 5 Con trượt của van chính;

6 Càng điều khiển điện – thủy lực; 7 Thân của ống phun.

Hình 6 Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến

1 Cụm nam châm; 2 Ống phun; 3 Xylanh của van chính; 4 Cuộn dây của cảm biến; 5 Lõi sắt từ của cảm biến; 6 Con trượt của van

chính; 7 Càng điều khiển điện – thủy lực; 8 Ống phun; 9,10 Buồng dầu của van chính.

Hình 3.24 Kết cấu của van servo 3 cấp điều khiển có cảm biến

1 Vít hiệu chỉnh; 2 Ống phun; 3 Thân van cấp 2; 4 Thân van cấp 3;

5 Cuộn dây của cảm biến; 6 Lõi sắt từ của cảm biến; 7 Con trượt của van chính; 8 Càng điều khiển điện – thủy lực; 9 Thân của ống phun; 10,14 buồng dầu của van cấp 2; 11 Con trượt của van cấp 2;

12 Lò xo của van cấp 2; 13 Xylanh của van cấp 3; 15,16 Buồng dầu của van cấp 3.

Các cơ cấu điều khiển thủy lực dạng servo

Liên hệ ngược trong hệ thống điều khiển có ý nghĩa quyết định về độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị Trong truyền dẫn thủy khí dùng phổ biến là các cơ cấu servo

là những có cấu có ít nhất một liên hệ ngược trong hệ thống điều khiển

Mối liên hệ đócó thể là vị trí, vận tốc hoặc theo áp suất, lưu lượng hoặc phối hợp các yếu tố đó

Liên hệ ngược theo vị trí

Liên hệ ngược vị trí có thể sử dụng liên hệ cơ khí, điện hoặc thủy lực, dưới đây giới thiệu hệ thống điều khiển servo chuyển động thẳng và chuyển động quay liên hệ ngược bằng liên kết cơ khí cứng

Hình 3.26:Chuyển động tịnh tiến với liên hệ ngược vị trí bằng cơ khí

Giả sử lõi trụ 1 nhận được tín hiệu điều khiển đi lên, dầu từ P (nguồn) tới buồngtrên của xy lanh có cần đẩy cố định Vì vậy dao đi lên thực hiện một chuyển động đilên tương ứng với chuyển động đi lên của đầu dò Do vỏ xy lanh công tác và vỏ van cóliên kết cơ khí cứng, nên sau khi xylanh công tác đi lên, trễ hơn một chút thông qualiên kết cơ khí này, vỏ van đuổi theo lõi trụ trượt Khi trạng thái đối xứng của mépđiều khiển được thiết lập trong rãnh tiết lưu thì chuyển động chấm dứt vì áp lực hai buồng xy lanh cân bằng.Cơ cấu trên không chỉ đóng vai trò điều khiển hướng di chuyển của phần công tácmà nó còn

có chức năng khuếch đại lực công tác do chuyển động dịch chuyển lõi trụtrượt để tạo ra khe hở tiết lưu cấp dầu vào xy lanh công tác có lực nhỏ (lực nam châm hoặc phản lực đầu dò), trong khi dòng công tác di chuyển cần piston tương đối với xy lanh có lực rất lớn.Cơ cấu này có thể có giá thành rẻ hơn nếu chỉ dùng loại một mép tiết lưu như dưới đây

Hình 3.27:Van phân phối một mép tiết lưu trong điều khiển tịnh tiến

servo

Xét một hệ chấp hành servo chuyển động quay do động cơ dầu cung cấp như sau:

Hình 3.28:Chuyển động quay với liên hệ ngược vị trí bằng cơ khí

Đầu bên phải trục rotor của động cơ dầu 1 có liên kết cơ khí cứng với

vỏ 2 của

van phân phối lõi trụ xoay, nếu lõi trụ xoay ở trạng thái trung gian che khuất hết các cửacấp 7 và 11 từ bơm động cơ không hoạt động Nếu tác dụng một lực nhỏ xoay lõi trụcủa van phân phối, dầu từ cửa 7 tới 6,

từ 11 tới 10 cùng chảy tới buồng làm việc của động cơ dầu Dầu từ buồng đối áp chảy từ 4 tới 5, từ 8 tới 9 rồi về bể Khi rôto quay liên kết cứng làm vỏ van phân phối đuổi theo lõi trụ xoay, khi trạng thái trung gian hình thành trở lại chuyển động quay chấm dứt vì khe hở tiết lưu của đường cấp từ bơm tới động cơ bị triệt tiêu Đây cũng là cơ cấu khuếch đại mô men do mô men xoay lõitrụ nhỏ hơn nhiều lần mô men do động cơ dầu tạo ra