Thủy lực là gì? Nguyên lý và ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực

Thủy lực là một hệ thống vật lý được ứng dụng phổ biến trong các phân xưởng máy móc, dây chuyền sản xuất, công nghệ cho các ngành công nghiệp nhẹ đến công nghiệp nặng. Vậy thủy lực là gì? Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực diễn ra như thế nào? Bài viết sau đây sẽ cập nhật những thông tin cơ bản nhất về hệ thống chuyên dụng này. 

Thủy lực là gì?

Thủy lực là môn khoa học lý giải về sự chuyển động cũng như vận chuyển lực của một chất lỏng tồn tại trong môi trường giới hạn nào đó. Cụ thể, trong môi trường thủy lực, chất lỏng sẽ được truyền tải nhờ lực đẩy tác dụng lên chất lỏng. 

Trong đó, chất lỏng được dùng để tạo thủy lực có thể là dầu, nhớt, hóa chất,… mang độ đậm đặc, độ nhớt, nhiệt độ và tính chất khác nhau. Để có thể vận hành thủy lực thì cần phải có các thiết bị để kết nối thành một hệ thống thủy lực hoàn chỉnh như: bơm dầu, xi lanh thủy lực, thùng chứa, motor, ống dẫn, van,…

Hiện nay, thủy lực được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong đời sống như: Dây chuyền sản xuất ô tô – xe cơ giới, sản xuất máy móc nông nghiệp, khai thác khoáng sản, chế biến gỗ, các phương tiện giao thông, công trình xây dựng,… 

Nguyên lý cơ bản của thủy lực

Trong hệ thống thủy lực, dầu đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nó vừa là môi chất để đẩy lực đi, vừa là chất giúp bôi trơn bề mặt tiếp xúc chấp hành, cơ cấu. Dầu thủy lực khi di chuyển bên trong mạch mang tính chất kín và tuần hoàn, nhờ sự hỗ trợ của bơm thủy lực cùng các thiết bị cơ cấu điều khiển. Vậy nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực là gì?

Máy thủy lực hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản như sau: Động cơ điện hoặc motor diezen hoạt động sẽ kéo theo bơm dầu quay. Khi đó, bơm sẽ thực hiện nhiệm vụ hút dầu từ thùng chứa và đẩy lên cơ cấu trong hệ thống thông qua các ống dẫn dầu. Áp lực của dầu sẽ được khống chế bởi van an toàn nhằm đảm bảo hệ thống có thể hoạt động ổn định nhất. 

Dầu thủy lực được dẫn đến thiết bị cơ cấu điều khiển, sau đó sẽ dịch chuyển đến thiết bị chấp hành (van phân phối và van điều hướng). Nhờ vào lưu lượng áp suất của bơm thủy lực mà hình thành nên các chuyển động tịnh tiến cũng như chuyển động quay của xi lanh. Sau quá trình truyền năng lượng, dầu sẽ được dẫn lại về lại thùng chứa để lọc và làm mát trước khi bắt đầu một chu trình mới. 

Các đại lượng cơ bản của thủy lực

Các đại lượng cơ bản của hệ thống thủy lực là gì? Theo đó, 2 đại lượng quan trọng nhất đó là lưu lượng và áp suất. 

Lưu lượng

Lưu lượng thủy lực là gì? Đây là lượng dầu được vận chuyển thông qua bơm thủy lực với theo một đơn vị thời gian nhất định. Tốc độ của chấp hành, động cơ thường bị chi phối rất nhiều bởi lượng dầu. Lưu lượng dầu sẽ quyết định đến tốc độ vận hành của xi lanh, motor. Cụ thể, lượng dầu càng nhiều thì tốc độ càng lớn và ngược lại. 

Đơn vị của lưu lượng có thể là: lít/phút, in3/vòng, CC/vòng.

Áp suất

Áp suất thủy lực là gì? Áp suất hay đó chính là áp lực của chất lỏng. Cụ thể, nó là lực tác dụng của dầu lên thành ống dẫn dầu hoặc bề mặt của cơ cấu chấp hành khi lượng dầu đã bị chặn tại một vị trí trên đường ống hay mặt tác dụng của cơ cấu chấp hành. Có thể nói, áp suất là đại lượng ảnh hưởng trực tiếp đến lực của cơ cấu chấp hành, xi lanh. 

Đơn vị đo áp suất cũng rất đa dạng, trong đó phổ biến nhất là: PSI, Mpa, Bar,…

Chi tiết cấu tạo của hệ thống thủy lực

Những bộ phận cơ bản nhất của hệ thống thủy lực gồm có:

Xi lanh thủy lực

Xi lanh thủy lực hay còn gọi là động cơ thủy lực tuyến tính hoặc thiết bị truyền động tuyến tính. Các xi lanh thủy lực có vai trò giữ cho lực không tuân theo hướng thông qua hành trình. 

Xi lanh thủy lực được làm chủ yếu từ một xi lanh cơ sở với đầu xi lanh, ống xi lanh, cần xi lanh, piston và ѕеаlѕ. Xi lanh thủy lực đã có sẵn một piston và một cần piston được lắp bên trong ống xi lanh. Piston này sẽ di chuyển rất nhiều trong quá trình vận hành. Cùng với đó, đường dầu của xi lanh sẽ đóng và đầu xi lanh có một đầu mở để cần piston có thể đẩy ra ngoài xi lanh. Piston tạo ra cho xi lanh một phần chia, chia thành 2 ngăn riêng biệt là đầu vào và đầu cuối của hành trình. Lực của xi lanh thủy lực được tạo ra bởi chất lỏng hoặc dầu có áp suất.

Motor thủy lực

Motor thủy lực là gì? Bộ phận này cũng tương tự như xi lanh thủy lực. Chúng đều là bộ truyền động, trong đó xi lanh là thiết bị truyền động tuyến tính, còn motor là bộ truyền động hướng tâm. Motor thủy lực có vai trò cung cấp năng lượng cho ròng rọc quay trên hệ thống các băng chuyền hoặc ổ bánh xe trên các thiết bị nặng…

Bơm thủy lực

Bơm thủy lực có vai trò biến chuyển động và năng lượng cơ thành điện thủy lực. Lực được áp dụng tại vị trí này sẽ chuyển sang vị trí khác khi có sự tác động của chất lỏng. Ví dụ, dầu là chất lỏng không thể nén được mà sẽ là sự di chuyển khi áp lực được áp dụng. Bơm sẽ không gây ra áp lực mà máy bơm thủy lực sẽ tạo ra lưu lượng bằng cách vận chuyển chất lỏng qua hệ thống. 

Van thủy lực

Van thủy lực là gì? Đây là thiết bị hỗ trợ rất nhiều cho hệ thống thủy lực vận hành một cách tốt nhất. Nó có vai trò kiểm soát sự tồn tại của hệ thống. Việc lựa chọn loại van thủy lực phù hợp là điều hết sức quan trọng đối với bất kỳ hệ thống thủy lực nào. 

Hiện nay có 3 loại van thủy lực được sử dụng phổ biến trên thị trường, đó là:

– Van điều hướng.

– Van điều áp.

– Van thủy lực điều khiển lưu lượng dòng chảy.

Hầu hết, các loại van hoạt động bằng điện từ hoặc tay, một số ít trường hợp sử dụng khí nén. 

Ưu và nhược điểm của hệ thống thủy lực

Hệ thống thủy lực có ưu điểm gì?

– Khả năng truyền động được với công suất cao và lực lớn.

– Có thể điều chỉnh được vận tốc, vô cấp và đảo chiều dễ dàng.

– Mô men khởi động của hệ thống lớn. 

– Sở hữu kết cấu gọn nhẹ, ít vệ sinh và bảo dưỡng. 

– Có thể giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao.

– Nhờ sự kết hợp của tính nén có trong dầu và lực quán tính nhỏ trong thiết bị bơm, motor mà người dùng có thể an tâm sử dụng thiết bị ở vận tốc cao mà không phải lo lắng đến vấn đề va đập.

– Dễ phòng ngừa được sự quá tải nhờ việc lắp đặt van an toàn.

– Có thể kiểm soát áp suất dễ dàng, kể cả những hệ thống nhiều mạch, phức tạp thông qua các đồng hồ đo áp suất, cảm biến áp.

– Có thể tự động hóa hệ thống thủy lực vận hành bằng cách xây dựng các phần tử tiêu chuẩn hóa.

Hệ thống thủy lực có những hạn chế gì?

– Sự ma sát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử có thể làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng.

– Khi hệ thống thủy lực hoạt động thì phụ tải thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của vận tốc. Người dùng không thể giữ nguyên vận tốc do tính nén của chất lỏng và tính đàn hồi của ống dẫn. 

– Khi hệ thống mới khởi động, nhiệt độ của dầu và hệ thống vẫn chưa ổn định. Điều này khiến cho độ nhớt của chất lỏng thay đổi. 

– Khi hệ thống bị vỡ hoặc rò rỉ dầu sẽ tác động đến môi trường, gây ô nhiễm. 

Các ứng dụng cơ bản của thuỷ lực

Ứng dụng cơ bản của thủy lực là gì? Có thể kể đến như:

– Thiết bị thủy lực tự hành (Mobile hydraulics): Di chuyển thông qua bánh xe hoặc đường ray. Hầu hết đặc trưng của các thiết bị thủy lực này là sử dụng các van điều khiển bằng tay, xuất hiện chủ yếu ở các dạng xe cơ giới, khai khoáng, hàng hải,…

– Thiết bị thủy lực cố định (Industrial hydraulics): Thường làm việc ở một vị trí cố định. Do đó, nó thường dùng các motor điện kết hợp với bơm thủy lực và các van điện từ, sử dụng chủ yếu cho các thiết bị, máy móc công nghiệp tự động, dây chuyền sản xuất, các loại máy trộn sơn, máy cắt,…

Cấu trúc của hệ thống thủy lực

Cấu trúc của hệ thống thủy lực được phân chia bởi 2 thành phần: Phần thủy lực và phần tín hiệu điều khiển. Để hiểu rõ cấu trúc của hệ thống thủy lực là gì hãy theo dõi thông tin sau:

Phần thủy lực

Phần thủy lực được chia thành 3 thành phần cơ bản đó là:

– Khối nguồn thủy lực (Power supply section): Bộ phận này thực hiện chức năng biến đổi năng lượng (Điện – cơ – thủy lực). Chúng bao gồm các thiết bị như: bơm thủy lực, động cơ điện, van an toàn, bể chứa dầu; cơ cấu chỉ thị áp suất, lưu lượng,…

– Khối điều khiển dòng thủy lực (Power control section ): Trong một hệ thống thủy lực, năng lượng dầu sẽ được dẫn truyền từ máy bơm đến cơ cấu chấp hành, đảm bảo các giá trị theo yêu cầu: tốc độ quay, mô men, lực và vận tốc. Đồng thời, năng lượng còn phải tuân theo những điều kiện vận hành từ hệ thống. Do đó, các van được lựa chọn và lắp đặt trên đường ống dẫn với vai trò điều khiển dòng năng lượng. 

– Cơ cấu chấp hành (Drive section): Bao gồm các xilanh (cylinders), động cơ thủy lực (Hydro-motors).

Phần tín hiệu điều khiển

Tín hiệu điều khiển là thành phần quan trọng góp phần hình thành nên hệ thống thủy lực hoàn chỉnh. Phần tín hiệu điều khiển được chia thành 2 thành phần, đó là:

– Phần tử đưa tín hiệu.

– Phần tác động để xử lý tín hiệu.

Các lỗi thường gặp trong hệ thống thuỷ lực

Dầu thủy lực quá nóng hoặc bị lọt khí

Nguyên nhân khiến cho dầu thủy lực quá nóng hoặc lọt khí là:

– Dầu bị bẩn và lẫn nhiều tạp chất nguy hại.

– Bộ phận làm mát hay tỏa nhiệt bị tắc hay hư hỏng.

– Van an toàn phải làm việc liên tục với cường độ cao.

– Lựa chọn không đúng loại dầu, không đúng độ nhớt cho hệ thống thủy lực. 

– Thùng chứa có kích thước hoặc dung tích quá nhỏ khiến cho dầu khó tản nhiệt. 

– Bơm thủy lực quay quá nhanh.

– …

Tùy vào từng nguyên nhân mà có biện pháp để khắc phục tình trạng này. Nếu là do dầu thì nên kiểm tra lại dầu, thêm dầu hoặc thay dầu mới phù hợp. Nếu lỗi xuất phát từ bộ lọc dầu hay bộ giải nhiệt thì cần vệ sinh, sửa chữa hoặc thay mới. 

Van xả dầu thuỷ lực được đặt quá thấp hoặc bị tắc

– Nếu van xả dầu thủy lực đặt quá thấp thì dầu chạy từ bơm tới bình chứa thông qua van xả khi áp suất chưa đủ mạnh. Lúc này, cần kiểm tra cài đặt van, chặn dòng xả bên ngoài van xả, đồng thời kiểm tra áp suất đường ống và áp kế. 

– Trường hợp van xả dầu bị tắt có thể là do van xả đặt quá thấp hoặc do lượng dầu bị bẩn, kém chất lượng khiến van xả dầu không thể hoạt động. 

Để khắc phục tình trạng này, cần đảm bảo nguồn dầu cấp vào van đạt chất lượng. Ngoài ra, van cần được đặt đúng vị trí trên hệ thống. 

Xi lanh thủy lực không hoạt động

Để biết tình trạng hoạt động của xi lanh thủy lực, cần kiểm tra van phân phối thủy lực xem có bị hư hỏng hay trục trặc không. Bởi đây có thể là nguyên nhân khiến cho xi lanh thủy lực không hoạt động. Ngoài ra cũng có thể là do tải trọng làm việc của xi lanh quá lớn. 

Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách thay thế van và điều chỉnh tải trọng của xi lanh sao cho phù hợp với tiêu chuẩn đã được thiết lập.

Áp suất không ổn định, không thể bảo đảm quá trình vận hành của hệ thống

Một số yếu tố làm ảnh hưởng đến áp suất hoạt động của thủy lực như:

– Rò rỉ ở đường ống dẫn dầu.

– Không khí bên ngoài lọt vào dầu thủy lực.

– Bơm bị mài mòn hoặc không kín. 

– Thiết lập giá trị mở của van an toàn quá thấp. 

– Cơ cấu chấp hành không kín hoặc bị ăn mòn. 

Với các vấn đề này, người dùng cần kiểm tra bơm, cơ cấu chấp hành để có thể phát hiện ra chi tiết bị ăn mòn hay vị trí không kín và tiến hành điều chỉnh, thay thế kịp thời. Trường hợp ống dẫn dầu lỏng cần siết chặt lại hoặc nếu bị rò rỉ dầu thì cần phải vá hay thay mới ống dẫn. 

Rò rỉ trong hệ thống

Nếu rò rỉ hệ thống thì cần dừng hoạt động thiết bị ngay lập tức để kiểm tra tổng thể. Bên cạnh những rò rỉ lớn của hệ thống mở thì có thể tồn tại sự rò rỉ trong ống kín hoặc hệ thống khép kín. 

Để phát hiện sự cố rò rỉ, người dùng chỉ cần lắp đặt các thiết bị đo áp suất tại các mạch dẫn, đường xả dầu (gần bơm).

Các bộ phận của bơm bị gãy, mòn, tắc nghẽn

Nếu sử dụng bơm kém chất lượng hoặc bơm hoạt động liên tục dẫn đến quá tải thì chắc chắn một số bộ phận của bơm sẽ bị gãy, ăn mòn các chi tiết hoặc bị tắc nghẽn. 

Người dùng có thể sử dụng áp kế và khóa hệ thống hoàn toàn ngoại trừ van xả dầu để kiểm tra tình trạng hoạt động của hệ thống. Nếu van xả dầu hoạt động bình thường và áp suất không thay đổi nhiều thì tiến hành kiểm tra các hư hỏng cơ học của bơm. Trường hợp các bộ phận như trục ty, bánh răng,… bị ăn mòn, bị gãy thì cần phải tháo ra và thay mới. 

Cài đặt van điều chỉnh sai, dầu thủy lực chảy ngược vào bình chứa dầu

Trường hợp van điều khiển dầu trực tiếp có cửa mở ở giữa và được lắp đặt tại vị trí trung lập một cách tình cờ khiến cho dầu chảy ngược về bể chứa dầu mà không gặp sự cản trở nào sẽ dẫn đến hiện tượng áp suất thấp. Do đó, người dùng cần nghiên cứu kỹ lưỡng và lắp đặt van điều chỉnh một cách chính xác.

Bơm gây tiếng ồn lớn

Nguyên nhân khiến bơm gây ra tiếng ồn lớn có thể kể đến như:

– Đường ống hút dầu bị lỏng hoặc bị hư hỏng.

– Bơm thủy lực hỏng.

– Vận tốc quay của bơm tăng quá cao.

– Bộ lọc trên đường ống dầu bị bẩn. 

– Van an toàn đóng, mở không ổn định.  

– …

Có thể khắc phục tình trạng bơm gây tiếng ồn bằng một trong những cách sau:

– Kiểm tra thông số vận hành của bơm và motor. Nếu bơm đã bị mài mòn cần thay thế. 

– Kiểm tra mức dầu trong hệ thống thủy lực. Nếu thay dầu hay thêm dầu mới cần có độ nhớt phù hợp. 

– Tiến hành kiểm tra và vệ sinh ống hút dầu, cửa hút dầu,…

– Kiểm tra van an toàn của hệ thống, nếu hỏng thì cần thay mới. 

Cơ cấu chấp hành chuyển động chậm hoặc thất thường

Một số nguyên nhân khiến cho cơ cấu chấp hành chuyển động chậm hoặc thất thường như:

– Có khí luồn vào hệ thống.

– Tốc độ của bơm chậm, bơm bị hỏng. 

– Van an toàn của hệ thống đóng, mở thất thường.

– Độ nhớt của dầu thủy lực quá cao, lượng dầu trong bể chứa quá thấp không đủ cung cấp cho toàn hệ thống.

– Xuất hiện sự rò rỉ của van một chiều.

– …

Hy vọng những chia sẻ trên đây sẽ giúp người dùng hiểu rõ thủy lực là gì, hệ thống thủy lực có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao. Có thể thấy, những ứng dụng của hệ thống thủy lực đã giúp ích rất nhiều cho đời sống sản xuất của con người. Nếu quý khách có nhu cầu tư vấn về các thiết bị cũng như cách thức vận hành của hệ thống thủy lực, hãy liên hệ ngay với TONSON để được hỗ trợ tốt nhất.