BÀI 2. VAN ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT docx

BÀI 2. VAN ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT
( Pressure control valves )
Nội dung:
1. Van tràn
a. Van tràn tác động trực tiếp
b. Van tràn tác động gián tiếp
2. Van giảm áp
a. Van giảm áp tác động trực tiếp
b. Van giảm áp tác động gián tiếp
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.
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 2.6.a).
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.
a) 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 2.1.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.
a, b, c,
Hình 2.1. 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 : x
r
là độ chồng của con trượt [m];
x
0
là độ biến dạng của lò xo khi van tràn ở trang thái đóng hoàn toàn (P < áp suất
tràn của van) [m];
P
r
– 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 [m
2
].
Khi áp suất đường dầu vào bằng áp suất tràn và con trượt dịch chuyển đoạn x
r
, ta có:

Gọi x là độ dịch chuyển của con trượt; A
x
– tiết diện của tiết lưu cho dầu chảy qua.
Khi đó lưu lượng qua van tràn được xác định như sau:
ở đây: b là hệ số tỷ lệ của A
x
với độ mở ,
- hệ số lưu lượng,
- khối lượng riêng của dầu [kg/m
3
].
Khi đó:
Và
Suy ra:
(vì áp suất dầu trong bể bằng 0 nên ).
Đặt khi đó ta có:
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 2.2 áp suất P tương ứng với lưu lượng .
P
v
≤ P
r
: Q = 0
P
r
< P
v

≤ P : Q tăng từ 0 ÷ Q
r
P < P
v
: Q = Q
r
(ở đây P
v
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 2.2. 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 A
p
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.
b) 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 C
1
, van phụ có con trượt có đường kính nhỏ và lò xo có độ

cứng lớn C
2
.
– 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 P
r1
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 P
r1
của van phụ thì van phụ mở cho dầu về bể, áp suất trong khoang van
chính bằng áp suất tràn P
r1

+ Nếu áp suất P tiếp tục tăng thì hiệu áp suất (P - P
r1
) 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.
a,

b, c,
Hình 2.3. 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 2.4. 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 2.4. 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 C
1
, van phụ có con trượt có đường kính nhỏ và lò xo
có độ cứng lớn C
2,
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 2.5).
+ 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 2.6.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.
c
Hình 2.5. 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 2.5 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 2.5.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).
c) Ví dụ lắp đặt van tràn trong hệ thống thuỷ lực
– Sử dụng van tràn trong hệ thống thủy lực:
Trên hình 2.6 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 2.6.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 2.6.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 2.6.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.
a, b,
c, d,
Hình 2.6. 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 2.9).
Theo nguyên lý hoạt động, van giảm áp bao gồm: van giảm áp tác động trực tiếp và
van giảm áp tác động gián tiếp.
a) 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 P
A
. Như vậy, qua van giảm áp, áp suất dầu giảm từ P xuống P
A
.
Ta có: P
A
< P và (A
p
– là diện tích con trượt) do đó áp suất P
A
được điều chỉnh
bằng cách điều chỉnh lực đàn hồi của lò xo thông qua vít điều chỉnh. Trên hình 2.7 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).
a, b,

c,
Hình 2.7. 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 2.7.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.
b) 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 2.8.
– 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 trực 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.
a, b, c,

Hình 2.8. 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 2.8.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 2.8.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.
c) 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 2.9). 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 2.10 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 2.10.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 2.10.b và 2.10.c 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.
Hình 2.9. Hệ thống thuỷ lực có 2 xi-lanh thuỷ lực làm việc ở 2 mức áp suất khác nhau
a b c
Hình 2.10. Sử dụng van giảm áp tác động từ xa cho hệ thống thuỷ lực với nhiều mức áp
suất khác nhau
Câu hỏi thảo luận
I. Van tràn

1. Chức năng van tràn, van an toàn? Phân biệt van tràn và van an toàn?
2. Mô tả nguyên lý cấu tạo và giải thích ký hiệu của van tràn tác động trực tiếp?
3. Nêu nguyên lý làm việc của van tràn tác động trực tiếp và mô tả hoạt động của
nó?
4. Xây dựng công thức thể hiện mối liên hệ giữa lưu lượng tràn qua và áp suất dòng
dầu ở đầu vào của van tràn tác động trực tiếp? Giải thích đường đặc tính tĩnh của
van tràn tác động trực tiếp?
5. Van tràn tác động gián tiếp có ưu điểm gì hơn van tràn tác động trực tiếp?
6. Mô tả cấu tạo và giải thích ký hiệu của van tràn tác động gián tiếp?
7. Mô tả hoạt động của van tràn tác động gián tiếp?
8. So sánh đường đặc tính tĩnh của van tràn tác động gián tiếp với của van tràn tác
động trực tiếp?
9. Mô tả cấu tạo và hoạt động của van tràn tác động bằng điện từ?
10. Chỉ ra vị trí làm việc của van tràn, van an toàn, và giải thích chức năng của chúng
trong các ví dụ trên hình 2.6.
II. Van giảm áp
1. Chức năng của van giảm áp là gì? Theo nguyên lý hoạt động, van giảm áp gồm
những loại nào?
2. Giải thích cấu tạo và ký hiệu của van giảm áp tác động trực tiếp?
3. Nêu nguyên lý hoạt động và mô tả hoạt động của van giảm áp tác động trực tiếp?
4. Giải thích cấu tạo và ký hiệu của van giảm áp tác động gián tiếp?
5. Nêu nguyên lý hoạt động và mô tả hoạt động của van giảm áp tác động gián
tiếp?
6. Giải thích ví dụ trên hình 2.9: mô tả các phần tử trong hệ thống, chức năng của
chúng? Mô tả hoạt động của hệ thống?
7. Giải thích ví dụ trên hình 2.10: mô tả các phần tử trong hệ thống, chức năng của
chúng? Mô tả hoạt động của hệ thống?