Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 6: Bình tích áp

CENNITEC
BÌNH TÍCH ÁP
LE THE TRUYEN
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Trong các hệ thống truyền động thủy lực 
đôi khi dầu cần được lưu trữ dưới dạng 
nén để cung cấp cho các cơ cấu chấp 
hành. Không giống như khí, lưu chất 
không thể nén được để tự tạo áp suất. 
Thông thường, dầu sử dụng trong các hệ 
thống thủy lực có mô-đun đàn hồi từ 1-2 
GPa, như vậy, khả năng tích năng lượng 
của dầu rất kém. 
a)Bình tích áp túi 
khí
b) Bình tích áp 
piston
c)Bình tích áp dùng
 lò xo
d)Bình tích áp dùng 
khối lượng
e) f) g) h)
Một lít dầu dưới áp suất 15 MPa tích một 
năng lượng khoảng chừng 80 J. Do vậy 
bình tích áp được sử dụng để giải quyết 
vấn đề này. Dầu được lưu trữ và nén 
trong bình tích áp nhờ một áp suất bên 
ngòai.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Hầu hết các bình tích áp được sử dụng để giải quyết các vấn đề sau:
1. Hổ trợ vào lưu lượng của bơm để cung cấp cho hệ thống
2. Duy trì áp suất cho xy lanh trong lúc bơm xả tải hoặc ngừng họat động
3. Cung cấp năng lượng dự phòng khi hệ thống bị hư hỏng
4. Giảm sốc và giảm rung động
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Dung lượng của bình tích áp
Khí (N2) P2
P1
P0
V2
V1
V0
P0 P1 P2
V0
Va
Va
Đoạn nhiệt (Adiabatic)
Đẳng nhiệt (Isothermal)
Quá trình nén khí trong bình tích áp có thể trình bày qua công thức sau 
Trong đó,
P0 = Áp suất nạp cho khí, Pa, (áp suất tuyệt đối)
P1 = Áp suất làm việc nhỏ nhất, Pa, (áp suất tuyệt đối)
P2 = Áp suất làm việc lớn nhất, Pa, (áp suất tuyệt đối)
V1 = Thể tích khí tại áp suất P1, m
3.
V2 = Thể tích khí tại áp suất P2, m
3.
Nếu quá trình nén khí
là đẳng nhiệt thì n =
1, không đẳng nhiệt
thì 1 < n < 1.4, và
đạon nhiệt n = 1.4
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Dung lượng làm việc của bình tích áp là thể tích Va, được định nghĩa như là thể tích
dầu vào/ra từ bình tích áp ở áp suất P trong khoảng làm việc P1 và P2.



nn
a
P
P
P
P
VVVV
1
2
0
1
1
0
021
 


2
0
1
0
021
P
P
P
P
VVVVa
Quá trình không đẳng nhiệt Quá trình đẳng nhiệt 
Áp suất nạp P0 phải nhỏ hơn áp suất làm việc nhỏ nhất P1 để đảm bảo bình tích
áp vận hành đúng chức năng của nó. Nếu điều này không được thỏa mãn, khi áp
suất làm việc trở nên nhỏ hơn P0, khí sẽ giãn nở và làm đầy không gian bên
trong túi khí và bình tích áp sẽ ngừng hoạt động. Vì vậy, áp suất nạp cho bình
tích áp được chọn trong khoảng P0 = (0.7 to 0.9) P1
Nếu quá trình nén khí là đẳng nhiệt thì n = 1, không đẳng nhiệt thì
1 < n < 1.4, và đạon nhiệt n = 1.4
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Dùng bình tích áp để bổ sung lưu lượng của bơm
Một vài hệ thống thủy lực cần một lượng lớn thể tích dầu trong thời gian ngắn,
ví dụ cần di chuyển nhanh một xy lanh có kích thước lớn để kẹp đối tượng.
Trong lúc kẹp đối tượng, hệ thống hầu như không cần họăc cần rất ít lưu lượng.
Như vậy, nếu hệ thống làm việc có thời gian ngừng dài thì bình tích áp có thể
sử dụng để giảm kích thước của các thành phần thủy như như bơm, động cơ,
bể dầu và van giới hạn áp suất.
Giá thành của bình tích áp sẽ được đền bù bằng việc giảm kích thước của các
thành phần thủy lực, nhưng ưu điểm của việc dùng bình tích áp là chi phí vận
hành sẽ giảm đi đáng kể.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
M
Thời gian thực hiện 1 chu kỳ
12 s
Thời gian nghỉ giữa 2 chu kỳ 
45 s
Van cân bằng
125 HP
454 l/min
140 bar
Thời gian để thực hiện một chu kỳ là
12.5 s. Hành trình đi ra của xy lanh
hệ thống cần tòan bộ năng lượng,
trong khi hành trình đi về xy lanh cần
lực rất nhỏ.
Vấn đề giảm kích thước của bơm và
động cơ trở nên không thể nếu xy
lanh làm việc liên tục. Tuy nhiên, thời
gian chờ giữa các chu kỳ liên tiếp là
45 s, vì vậy kích thước của bơm và
động cơ có thể giảm đến 70% nếu
bình tích áp được sử dụng.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Thời gian thực hiện 1 chu kỳ
12 s
Thời gian nghỉ giữa 2 chu kỳ 
45 s
Van cân bằng
40 HP
M
100 l/min
200 bar
Á
p
 s
u
ất
 n
ạp
 1
1
5
 b
ar
Áp suất làm việc 140 bar
(2)Van dùng để xả bình tích 
áp
(1) Van giới hạn áp suất/xả 
tải
Bình tích áp
Hệ thống mới dùng bình tích áp
để bổ sung lưu lượng cho bơm.
Van phân phối trong trừơng hợp
này vẫn giữ nguyên, lưu lượng
làm việc của van là 454 l/min. Vì
áp suất làm việc tối thiểu là 140
bar nên dầu phải được nén vào
bình tích áp có áp suất cao hơn,
vì vậy van giới hạn áp suất cài ở
giá trị là 200 bar.
Sau khi bổ sung bình tích áp
vào hệ thống, kích thước bơm
giảm xuống với lưu lượng là 100
l/min và kích thước động cơ
giảm xuống với công suất là 40
HP.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Thời gian thực hiện 1 chu kỳ
12 s
Thời gian nghỉ giữa 2 chu kỳ 
45 s
Van cân bằng
M
210 bar
Á
p
 s
u
ất
 n
ạp
 1
1
5
 b
ar
Áp suất làm việc 140 bar
(2)Van dùng để xả bình tích 
áp
(1) Van giới hạn áp suất/xả 
tải
Bình tích áp
220 bar
24 VDC
Công tắc áp suất
Y1
190 bar
5 l/min
22 l/min
195 bar
Trong hệ thống này hai bơm
được sử dụng. Một bơm có lưu
lượng là 5 l/min, bơm còn lại có
lưu lượng thay đổi với lưu
lượng lớn nhất là 22 l/min. Bơm
này được điều khiển theo chế
độ cân bằng áp suất (xem
chương 2). Công tắc áp suất
được cài ở giá trị 190 bar. Khi
áp suất của hệ thống đạt đến
giá trị này, bơm có lưu lượng
22 l/min xả tải về bể chứa dầu.
Bơm còn lại tiếp tục cấp dầu
cho hệ thống để duy trì áp suất
không đổi là 195 bar với năng
lượng mất mát ít nhất.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Hệ thống cần áp suất trong toàn bộ thời gian làm việc với bơm có thể tích
riêng cố định
Một vài hệ thống cần áp suất trong 
toàn bộ thời gian làm việc để giữ vị 
trí hay duy trì lực kẹp. Hệ thống 
trong hình 4.7 cũng giữ áp suất trong 
các xy lanh khi các xy lanh đã dừng, 
nhưng nhiệt tăng quá cao và đó là 
một thiết kế không tốt vì để duy trì áp 
suất bơm phải họat động liên tục ở 
áp suất cao, nhưng phần lớn năng 
lượng tạo ra bị biến thành nhiệt vì 
bơm phải xả lưu lượng dư qua van 
giới hạn áp suất. 
M
80 l/min
150 bar
80 l/min
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
M
150 bar
Y1
15 l/min
65 l/min
120 bar
Một thiết kế khác có thể là tốt hơn 
so với thiết kế vừa trình bày được 
giới thiệu trong hình 4.8. 
Hệ thống sử dụng hai bơm, bơm có 
lưu lượng lớn nhằm cung cấp lưu 
luợng cho xy lanh để thực hiện vận 
tốc nhanh. Khi các xy lanh ở vị trí 
ngừng, bơm có lưu lượng lớn xả tải 
qua hệ thống van giới hạn áp suất 
tác động gián tiếp, bơm có lưu 
lượng nhỏ tiếp tục cung cấp lưu 
lượng để duy trì áp suất. Thiết kế 
này tuy là có giảm năng lượng tiêu 
hao vô ích nhưng chưa phải là 
phương án tốt nhất.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
M
(2)Van dùng để xả bình tích 
áp
(1) Van giới hạn áp suất/xả 
tải
Bơm trong hệ thống ở hình 4.9 
xả tải nhờ hệ thống bình tích 
áp-van xả tải. Hệ thống van 
này cho phép tòan bộ lưu 
lượng của bơm đến được bình 
tích áp và xy lanh khi áp suất 
của hệ thống chưa đạt đến giá 
trị tới hạn. Khi áp suất đã đạt 
tới giá trị tới hạn được cài cho 
van xả tải, van này mở cho 
phép tòan bộ lưu lượng bơm 
về bể chứa dầu với áp suất rất 
thấp, khỏang chừng 3-4 bar. 
Khi bơm xả tải, bình tích áp 
nén dầu ngược lại hệ thống, 
và nhờ có van một chiều mà 
áp suất này được duy trì.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Bình tích áp được dùng như nguồn khẩn cấp
M
Y1
Y2
Y3 Y4
Các hệ thống thủy lực
thường không làm việc được
nếu bơm không họat động.
Một vài trường hợp trong
công nghiệp máy phải thực
hiện hết chu trình để đảm
bảo an toàn ngay cả khi
bơm bị hư hỏng. Trong
trường hợp này bình tích áp
được dùng để lưu trữ một
năng lượng đủ để cung cấp
cho xy lanh làm việc đến vị
trí an toàn khi bơm đã bị hư
hỏng.
Khi nguồn hệ thống bị hỏng, bơm ngưng họat động, các cuộn dây Y1 và Y2 cũng
ngưng được cấp nguồn. Bình tích áp bơm dầu trực tiếp đến xy lanh để thực hiện
việc đóng cửa.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Dùng bình tích áp để duy trì áp suất trong thời gian dài và cung cấp lưu lượng nhỏ
Một số các hệ thống thủy lực,
chẳng hạn như trong các máy
cán, cần phải duy trì áp suất
trong thời gian dài nhưng đồng
thời cũng cần có lưu lượng để
xy lanh dịch chuyển. Dùng bơm
có thể tích riêng thay đổi cũng
có thể thực hiện được điều này,
nhưng năng lượng mất do rò rỉ
bên trong bơm sẽ làm cho hệ
thống tăng nhiệt. Một phương
án khác là dùng bơm có thể tích
riêng cố định và bình tích áp
như được trình bày trong hình
4.16.
M
Van cân bằng
5 bar
Y1 Y2
Van xả 1.1
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
M
Van cân bằng
5 bar
Y1 Y2
Van xả 1.1
Khi cuộn dây Y1
được cấp nguồn, dầu
từ bơm cấp vào xy
lanh làm xy lanh đi ra
nhưng đồng thời dầu
cũng được nén vào
bình tích áp (hình
4.17).
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
M
Van cân bằng
5 bar
Y1 Y2
Van xả 1.1
Δl
Khi xy lanh bắt đầu tíếp xúc với đối 
tượng và giai đọan ép bắt đầu, áp 
suất hệ thống tăng lên và dầu nạp 
đầy vào bình tích áp, công tắc áp 
suất chuyển đổi trạng thái họat động 
làm mất nguồn cuộn dây Y1, và đưa 
van phân phối 4/3 trở về trạng thái 
nghỉ. Bơm xả dầu về bể chứa với áp 
suất cản là 5 bar. Nhờ áp suất cản 
này mà van xả luôn đóng ngăn 
không cho dầu từ bình tích áp trả về 
bể chứa.Bình tích áp nén dầu trở ra 
hệ thống và duy trì áp suất cho xy 
lanh. Bình tích áp phải có thể tích 
đủ lớn để có thể cấp dầu cho xy 
lanh thực hiện hành trình Δl mà sự 
sụt áp không qua lớn 
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Dùng bình tích áp để tăng vận tốc làm việc của xy lanh
Van cân bằng
M
220 bar
24 VDC
Công tắc áp suất
Y1
190 barJ
E
B
A
F
D
1.1
Cũng giống như cách mạch dùng
bình tích áp, cần phải có thời gian để
nạp dầu vào bình tích áp. Quá trình
nạp dầu này được chọn thực hiện ở
hành trình về của xy lanh.
Khi xy lanh về đến cuối hành trình, áp 
suất hệ thống tăng và bình tích áp bắt 
đầu được nạp dầu qua van một chiều E. 
Khi áp suất đạt tới giá trị 190 bar, công 
tắc áp suất chuyển trạng thái làm mất 
nguồn cuộn dây Y1, cho phép bơm xả 
dầu về bể chứa qua van giới hạn áp 
suất. Lúc này van B vẫn đóng nhờ áp 
suất của đường điều khiển (1.1), áp suất 
này khoảng chừng 3 – 4 bar 
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Van cân bằng
M
220 bar
24 VDC
Công tắc áp suất
Y1
190 barJ
E
B
A
F
D
Lưu lượng từ bình tích áp
Lưu lượng từ bơm
Khi van phân phối chuyển đổi
trạng thái để điều khiển xy lanh đi
ra, áp suất tại công tắc áp suất
giảm, cuộn dây Y1 được cấp
nguồn và bơm không còn xả dầu
về bể chứa được nữa. Thời điểm
này bình tích áp trả dầu ngược lại
hệ thống qua van một chiều F.
Lưu lượng từ bình tích áp cộng
với lưu lượng của bơm làm cho
xy lanh ra nhanh.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
A
B
X
A
B
X
M
Y1
Hệ thống
AX
AA
Van xả
Van xả dùng cho bình tích ápĐiểm đặc biệc của van này là 
tiết diện AX lớn hơn rất nhiều so 
với tiết diện AA. Phương trình 
cân bằng của con trượt van là:
PA x AA = PX x AX
Hay
PX = PA x (AX / AA)
Trong đó PX là áp suất tại cửa 
X, và PA là áp suất tại cửa A 
của van.
Nếu tỉ lệ các tiết diện là AX / AA = 
100:1, thì chỉ cần áp suất 
khỏang chừng 3 bar tại cửa X là 
có thể cân bằng được áp suất 
300 bar tại cửa A. Khi áp suất tại 
cửa X bằng 0 (trường hợp bơm 
ngưng họat động) áp suất tại 
cửa A làm van mở, cho phép 
dầu từ bình tích áp trả về bể 
chứa dầu.
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
Lò xo thủy lực
le the truyen
Cennitec
BÌNH TÍCH ÁP
A
x
FP, V
Khí
VL
Dầu
AxVL 
AxVVVV Lg 00
nn VPAxVP 000 )( 
n
n
AxV
VAP
PAF
)( 0
00
01
0
2
0
)(
P
AxV
AnV
dx
dF
k
n
n
Trong đó,
k = độ cứng lò xo thủy lực, N/m
VL = thể tích chất lỏng trong bình tích áp, m3
A = diện tích piston, m2
x = độ dịch chuyển của piston
V0 = thể tích khí, thể tích bình tích áp, m
3
P0 = áp suất khí nạp ban đầu, Pa
P = áp suất làm việc, Pa
n = hệ số đạn nhiệt
F = lực lò xo, N
CENNITEC
www.themegallery.com