Thủy lực: Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản

Thủy lực là một công nghệ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hiện đại. Từ máy móc công nghiệp như sàn nâng dock leveler đến xe cộ, hệ thống này đều đóng vai trò không thể thiếu.

Trong bài viết dưới đây, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về hệ thống thủy lực một cách đơn giản và dễ hiểu. Bạn sẽ biết được khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Dù bạn là kỹ sư hay chỉ là người tò mò về công nghệ, bài viết của Naltako sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan về thủy lực.

Thủy lực là gì?

Thủy lực là một ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu về sự chuyển động và truyền tải năng lượng của chất lỏng (dầu thủy lực, nhớt,…) trong một hệ thống kín. Khi chất lỏng bị nén, nó tạo ra áp suất, từ đó sinh ra lực để thực hiện công việc.

Hệ thống thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất, chế tạo máy, hàng không, đóng tàu, lắp ráp ô tô, khai thác mỏ, công nghiệp nặng và thậm chí cả trong chế tạo robot tiên tiến.

Cấu tạo hệ thống thủy lực

Xi lanh thủy lực: Là bộ truyền động tuyến tính, chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động cơ học theo đường thẳng. Cấu tạo gồm ống xi lanh, đầu xi lanh, piston, thanh piston, phớt làm kín và các bộ phận dẫn dầu.

Motor – Động cơ thủy lực: Tương tự như xi lanh thủy lực nhưng tạo ra chuyển động quay. Động cơ thủy lực cung cấp năng lượng cho các bộ phận quay như băng chuyền, bánh xe,…

Pump – Bơm thủy lực: Đóng vai trò trung tâm trong hệ thống, chuyển đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực. Bơm hút dầu từ thùng chứa và đẩy vào hệ thống dưới áp suất cao.

Pressure Regulator – Van điều chỉnh áp suất: Duy trì áp suất ổn định trong hệ thống bằng cách điều chỉnh lưu lượng dầu qua van.

Directional Control Valve – Van điều hướng: Điều khiển hướng dòng chảy của dầu thủy lực, xác định hướng chuyển động của bộ truyền động (actuator). Van này có 3 vị trí:

• 1-Off: Dừng dòng chảy, không có chuyển động.
• 2-Forward: Dầu chảy vào bộ truyền động, đẩy nó về phía trước.
• 3-Return: Dầu chảy ra khỏi bộ truyền động, kéo nó trở lại vị trí ban đầu.

Actuator – Bộ truyền động: Chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động cơ học. Trong hình này, bộ truyền động là một xi lanh thủy lực, tạo ra chuyển động tuyến tính.

Load  – Tải trọng: Là vật thể hoặc lực cản mà bộ truyền động phải tác động lên.

Oil Tank – Thùng chứa dầu: Lưu trữ dầu thủy lực khi hệ thống không hoạt động và cung cấp dầu cho bơm khi cần thiết.

Thông số kỹ thuật cơ bản của thủy lực

Trong thủy lực, có hai thông số (đại lượng) cơ bản đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu suất và khả năng làm việc của hệ thống:

Lưu lượng (Flow rate): Là lượng dầu thủy lực được bơm vận chuyển trong một đơn vị thời gian. Lưu lượng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ chuyển động của các bộ phận chấp hành như xi lanh hay động cơ thủy lực. Lưu lượng càng lớn, tốc độ chuyển động càng nhanh. Đơn vị thường dùng là lít/phút (l/min) hoặc cm³/vòng (cc/rev).

Áp suất (Pressure): Là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích của chất lỏng. Trong hệ thống thủy lực, áp suất được tạo ra bởi bơm và tác động lên các bộ phận chấp hành để tạo ra lực và chuyển động. Áp suất càng cao, lực tạo ra càng lớn. Đơn vị thường dùng là bar, megapascal (MPa) hoặc pound trên inch vuông (psi).

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực dựa trên việc chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực, sau đó truyền tải và khuếch đại lực thông qua chất lỏng (dầu thủy lực).

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực trên mô tả một hệ thống điều khiển xi lanh thủy lực bằng van điện thủy lực tỷ lệ. Hệ thống này bao gồm các thành phần chính sau:

1. Bơm thủy lực (Pump): Chuyển đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực bằng cách hút dầu từ thùng chứa và đẩy vào hệ thống dưới áp suất cao. Động cơ (M) cung cấp năng lượng cho bơm hoạt động.

2. Bộ lọc (Filter): Đảm bảo dầu thủy lực sạch sẽ trước khi đi vào hệ thống, giúp bảo vệ các thành phần khác khỏi hư hỏng do cặn bẩn.

3. Van điện thủy lực tỷ lệ (Electro-hydraulic proportional directional valve): Van này điều khiển hướng và lưu lượng dầu thủy lực đến xi lanh, từ đó điều khiển chuyển động của xi lanh. Van nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển (Controller).

4. Khóa thủy lực (Hydraulic locks): Các khóa này được lắp đặt ở hai cửa P và T của van để giữ cho xi lanh ở vị trí cố định khi không có tín hiệu điều khiển.

5. Xi lanh thủy lực (Hydraulic cylinder): Chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động tuyến tính. Xi lanh được điều khiển bởi van điện thủy lực tỷ lệ để thực hiện các thao tác nâng, hạ hoặc đẩy.

6. Van an toàn (Relief valve): Bảo vệ hệ thống khỏi áp suất quá cao bằng cách xả dầu trở lại thùng chứa khi áp suất vượt quá giới hạn cho phép.

7. Bộ điều khiển (Controller): Gửi tín hiệu điện đến van điện thủy lực tỷ lệ để điều khiển chuyển động của xi lanh. Bộ điều khiển có thể nhận tín hiệu từ người vận hành hoặc từ các cảm biến trong hệ thống.

8. KA1 và KA2: Đại diện cho các cảm biến hoặc công tắc giới hạn hành trình của xi lanh.

Mô tả nguyên lý hoạt động:

• Khi bộ điều khiển gửi tín hiệu điện đến van điện thủy lực tỷ lệ, van sẽ mở ra và cho phép dầu thủy lực chảy vào một cửa của xi lanh, đồng thời dầu từ cửa còn lại của xi lanh sẽ được xả về thùng chứa.
• Dầu thủy lực đẩy piston xi lanh di chuyển, tạo ra chuyển động tuyến tính.
• Khi bộ điều khiển ngừng gửi tín hiệu, van sẽ đóng lại và khóa thủy lực sẽ giữ xi lanh ở vị trí hiện tại.
• Van an toàn sẽ mở ra nếu áp suất trong hệ thống vượt quá giới hạn cho phép, bảo vệ hệ thống khỏi hư hỏng.

Sơ đồ và mô tả trên chỉ là một ví dụ về hệ thống thủy lực. Trong thực tế, có nhiều loại hệ thống thủy lực khác nhau với cấu tạo và nguyên lý hoạt động phức tạp hơn.

Ưu và nhược điểm hệ thống điều khiển thủy lực

Ưu điểm

• Thủy lực có khả năng tạo ra lực và mô-men xoắn lớn, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng như bàn nâng thủy lực.
• Vận tốc, hướng và lực có thể điều chỉnh dễ dàng và chính xác.
• Hệ thống thủy lực thường gọn nhẹ hơn so với các hệ thống truyền động khác có cùng công suất.
• Mô-men khởi động lớn giúp hệ thống dễ dàng vượt qua quán tính ban đầu.
• Ít rung động và tiếng ồn, đặc biệt ở tốc độ cao.
• Van an toàn giúp ngăn ngừa quá tải, bảo vệ hệ thống.
• Áp suất hệ thống có thể được theo dõi liên tục thông qua đồng hồ đo và cảm biến.
• Dễ dàng tích hợp với các hệ thống điều khiển tự động.

Nhược điểm

• Ma sát trong đường ống và các bộ phận khác có thể làm giảm hiệu suất hệ thống.
• Bọt khí trong dầu thủy lực có thể gây ra tiếng ồn, giảm hiệu suất và làm hỏng các bộ phận.
• Nhiệt độ dầu thay đổi có thể ảnh hưởng đến độ nhớt và hiệu suất của hệ thống.
• Rò rỉ dầu sẽ gây ô nhiễm môi trường và nguy cơ cháy nổ nếu không được xử lý kịp thời.
• Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thủy lực thường cao hơn so với các giải pháp khác như khí nén.

Ứng dụng của thủy lực trong đời sống

Công nghiệp

• Máy móc xây dựng: Máy xúc, máy ủi, cần cẩu, máy khoan, máy ép cọc,…
• Thiết bị nâng hạ: Thang nâng hàng thủy lực, thang nâng người, dock hàng…
• Máy móc sản xuất: Máy ép nhựa, máy dập kim loại, máy cắt CNC,…
• Hệ thống tự động hóa: Robot công nghiệp, dây chuyền sản xuất,…

Giao thông vận tải

• Ô tô: Hệ thống phanh, trợ lực lái, hệ thống treo,…
• Máy bay: Hệ thống điều khiển bay, hạ cánh, hãm phanh,…
• Tàu thủy: Hệ thống lái, neo đậu,…

Nông nghiệp

• Máy kéo: Hệ thống nâng hạ, điều khiển,…
• Máy gặt đập: Hệ thống điều khiển,…

Các lĩnh vực khác

• Y tế: Ghế nha khoa, bàn mổ,…
• Quân sự: Xe tăng, máy bay chiến đấu,…

Nhờ tính linh hoạt, khả năng truyền tải lực lớn và độ chính xác cao, thủy lực đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả công việc.

Bảo dưỡng, bảo trì, sửa chữa hệ thống thủy lực

Bảo dưỡng hệ thống thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của máy móc công nghiệp. Trước đây, việc bảo dưỡng thường chỉ diễn ra khi có sự cố xảy ra. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ và quy mô sản xuất hiện đại, việc bảo dưỡng định kỳ và phòng ngừa là cần thiết để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí sửa chữa.

Các nguyên nhân phổ biến gây hư hỏng hệ thống thủy lực:

• Bộ lọc dầu bị nhiễm bẩn hoặc tắc nghẽn
• Rò rỉ dầu qua phớt làm kín
• Thiếu dầu trong thùng chứa
• Lỏng các mối ghép đường ống, gây xâm thực khí vào bơm
• Sử dụng dầu thủy lực không phù hợp
• Áp suất dầu quá cao
• Nhiệt độ dầu quá cao

Để ngăn ngừa các sự cố trên, cần thực hiện chương trình bảo dưỡng phòng ngừa toàn diện, bao gồm:

• Lựa chọn các linh kiện chất lượng cao và phù hợp với yêu cầu vận hành.
• Đảm bảo các mối ghép kín khít, đúng momen xoắn và hệ thống được súc rửa sạch sẽ trước khi đưa vào sử dụng.
• Thường xuyên kiểm tra các bộ phận quan trọng như bộ lọc, mắt thăm dầu, đồng hồ đo áp suất và nhiệt độ.
• Lấy mẫu và kiểm tra chất lượng dầu để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường.
• Đảm bảo nhân viên vận hành và bảo trì được đào tạo đầy đủ để nhận biết và xử lý các sự cố tiềm ẩn.
• Lưu trữ thông tin về các sự cố, biện pháp khắc phục và lịch sử bảo dưỡng để phân tích và cải thiện hiệu suất hệ thống.

Bên cạnh việc bảo dưỡng, cần lưu ý đến các vấn đề môi trường liên quan đến hệ thống thủy lực, bao gồm:

• Sử dụng dầu thủy lực sinh học thân thiện với môi trường.
• Lưu trữ và xử lý dầu thải đúng quy định.
• Giảm thiểu tiếng ồn và rò rỉ dầu.

Kết luận

Qua bài viết này, hy vọng bạn đã hiểu rõ hơn về thủy lực, từ những khái niệm cơ bản đến ứng dụng thực tế. Đây không chỉ là kiến thức bổ ích mà còn có thể giúp bạn đưa ra những quyết định đúng đắn trong công việc và cuộc sống.

Nếu bạn cần tư vấn về giải pháp thủy lực cho doanh nghiệp, đừng ngần ngại liên hệ với chúng tôi.