Bơm lưu lượng cố định VS Bơm lưu lượng thay đổi-Load Sensing.

[Thợ máy]

Vừa rồi một người bạn nhờ tôi kiểm tra hộ hệ thống thủy lực máy ép nhựa của anh. Nó bị nóng dầu rất nhanh chỉ sau khoảng 15 phút hoạt động và hệ thống điện của máy cắt hoàn toàn không cho vận hành máy. Chỉ khi nhiệt độ dầu giảm xuống đến 40 độ thì mới khởi động lại được.
Sau khi kiểm tra, tôi phát hiện bơm thủy lực của bạn đã bị thay bởi một bơm cánh gạt lưu lượng cố định do bơm cũ bị hỏng. Tôi yêu cầu kiểm tra bơm cũ thay ra và thấy rằng đây là bơm lưu lượng thay đổi. Vậy là đã rõ, bạn tôi đã thay thế bơm không đúng chủng loại dẫn đến làm nóng dầu thủy lực chạy máy.
Tuy nhiên, bạn tôi không hiểu tại sao lại phải dùng bơm thay đổi lưu lượng ở trường hợp này? Thực tế bạn tôi đã thay bơm mới hoàn toàn tương đương về Lưu lượng làm việc - Áp suất và công suất với bơm cũ!
Xin mời các bác giải thích giùm bạn tôi với nhé.

[MXD]

Em chỉ biết là bơm lưu lượng thay đổi (bơm piston) thì nó có thể tự động thay đổi lưu lượng theo các chế độ tải khác nhau còn bơm lưu lượng cố định thì giữ nguyên lưu lượng như tên gọi, không phụ thuộc vào tải. Còn tại sao dầu bị nóng thì em chịu, không giải thích được. Bác nào biết thì khai sáng cho em luôn.

[Thợ máy]

Trước tiên, hãy cùng thống nhất khái niệm về lưu lượng của bơm:
1- Bơm lưu lượng cố định: Tức là lưu lượng riêng của bơm KHÔNG THỂ thay đổi được với mỗi một vòng quay của trục bơm. Điển hình của loại bơm này là bơm bánh răng. Ngoài ra còn có bơm cánh gạt lưu lượng cố định, bơm piston lưu lượng cố định (thường gặp là bơm cong).
2- Ngược lại, bơm lưu lượng thay đổi có lưu lượng THAY ĐỔI ĐƯỢC ở mỗi một vòng quay. Việc thay đổi này có thể ở đĩa nghiêng, góc nghiêng so với trục bơm (đối với bơm piston) hoặc độ lệch tâm quay (đối với bơm cánh gạt).

Về kết cấu, nguyên tắc làm việc của từng loại bơm chúng ta tạm thời không bàn đến trong mạch này.

Quay lại chủ đề chính, chúng ta phải so sánh sự khác nhau của hai loại bơm này ở cùng một chế độ làm việc. Hình vẽ dưới đây nói lên quan hệ giữa Lưu lượng Q và Áp suất p của hai loại bơm này:



Lưu ý:
- Theo hàng ngang, biểu đồ bên phải thể hiện đặc tính làm việc của bơm lưu lượng cố định; bên trái của bơm lưu lượng thay đổi.
- Trục tung thể hiện Lưu lượng làm việc (lpm); trục hoành thể hiện áp suất làm việc theo tải (bar).
- Diện tích giới hạn bởi đường Lưu lượng và Áp suất là Công suất thực hiện (kW).
- Điểm giao cắt của đường Q và p là điểm làm việc của bơm (đánh dấu mầu đen).
- Phần mầu vàng thể hiện công suất thực hiện (có ích); phần mầu trắng là công suất không sử dụng đến và phần mầu tím là công suất tiêu thụ vô ích.

Chúng ta xét hai bơm này làm việc ở các chế độ như sau:

(A): Bơm làm việc ở chế độ 100% lưu lượng và công suất thiết kế.
Khi đó cả hai bơm đều tiêu thụ một công suất như nhau.

(B): Bơm làm việc ở Lưu lượng còn một nửa so với lưu lượng thiết kế; 100% áp suất làm việc.
Lưu lượng làm việc của bơm cố định không hề thay đổi và do đó Công suất của bơm không khác trường hợp A. Tuy nhiên, 50% lưu lượng thừa của bơm sẽ qua valve an toàn trở về thùng (phần mầu tím).
Do khả năng thay đổi lưu lượng, Lưu lượng làm việc của bơm thay đổi giảm đi đúng bằng một nửa đáng ứng theo yêu cầu của tải. Công suất thực hiện của bơm cũng chỉ còn một nửa so với thiết kế.

(C): Bơm làm việc ở Áp suất giảm đi một nửa; Lưu lượng đủ 100% thiết kế.
Về bản chất, cả hai bơm làm việc giống như ở trường hợp A. Tuy nhiên, công suất giảm đi tương ứng so với áp suất.

(D): Bơm làm việc chỉ ở 50% giá trị thiết kế ở cả Lưu lượng & Áp suất.
Đối với bơm lưu lượng cố định, công suất cần thiết chỉ ở 1/4 giá trị công suất thiết kế; Phần còn lại phải xả bỏ hoàn toàn.
Đối với bơm lưu lượng thay đổi, công suất thực tế chỉ còn 1/2 giá trị công suất thiết kế, trong đó: Công suất cần thiết chỉ cần 1/4 và Công suất tổn hao là 1/4.

Với phân tích ở trên, chúng ta thấy rằng: Khi lưu lượng và áp suất hoạt động của bơm thủy lực thay đổi, Công suất tiêu hao vô ích của bơm lưu lượng cố định nhiều hơn đáng kể so với bơm lưu lượng thay đổi. Trong kỹ thuật truyền động thủy lực, công suất tiêu hao vô ích này biến thành nhiệt năng đốt nóng dầu thủy lực và các bộ phận hệ thống.

Quay lại với trường hợp máy ép nhựa đã nêu ở trên, bạn tôi đã gặp rắc rối khi thay không đúng kiểu của bơm thủy lực. Công suất có ích của hệ thống giảm đi rất đáng kể và phần công suất vô ích đã làm nóng dầu đến giá trị báo cắt an toàn của công tắc báo nhiệt độ của máy dẫn đến máy ép không làm việc được.

[admin]

Ở trên tôi thấy bác Thợ-máy mới chỉ phân tích bơm thay đổi lưu lượng ở chế độ pressure compensated mà chưa thấy đề cập đến chế độ load-sensing nhỉ. Đây mới là ưu điểm nổi bật của bơm thay đổi lưu lượng. Bác tiếp đê.

[LeAnhCHP]

Bài của bác Thợ máy khá hay, đúng là còn thiếu chế độ load-sensing như bác admin nói.
Trở lại vấn đề của bác Thợ máy (hay là vấn đề của bạn bác), bác gần tìm ra rồi đấy:
Như ở sơ đồ hình B phần bơm lưu lượng không đổi, một phần lớn năng lượng sẽ qua van an toàn về thùng dầu, tuy nhiên năng lượng này sẽ bị tổn thất trên van an toàn và chuyển hóa thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ dầu.
Trong trường hợp trên nếu muốn sử dụng bơm lưu lượng không đổi (đỡ mất tiền mua bơm khác) thì bác phải lắp thêm hệ thống làm mát dầu.

[Haitroc]

Nguyên văn bởi LeAnhCHP

Trong trường hợp trên nếu muốn sử dụng bơm lưu lượng không đổi (đỡ mất tiền mua bơm khác) thì bác phải lắp thêm hệ thống làm mát dầu.

Nếu tiếp tục sử dụng bơm lưu lượng cố định sẽ:
1- Tiếp tuc tốn một công suất điện vô ích (biến thành nhiệt) và
2- Tốn thêm một công suất điện để làm mát dầu.

Như vậy là tốn hai lần công suất, và quan trọng nhất là, công suất vô ích này duy trì suốt trong cả quãng thời gian hoạt động của thiết bị. Các bạn có thể lấy một ví dụ để tính toán công suất điện vô ích này.

Theo tôi việc tốn tiền để thay thế lại cái bơm lưu lượng thay đổi đỡ tốn kém hơn nhiều.

[Thợ máy]

Nguyên văn bởi admin

Ở trên tôi thấy bác Thợ-máy mới chỉ phân tích bơm thay đổi lưu lượng ở chế độ pressure compensated mà chưa thấy đề cập đến chế độ load-sensing nhỉ. Đây mới là ưu điểm nổi bật của bơm thay đổi lưu lượng. Bác tiếp đê.

Bơm thay đổi lưu lượng ở chế độ load sensing:


Dưới đây là kết cấu mô tả bơm piston thay đổi lưu lượng với van load sensing:


Note: Đường mầu đỏ là đường áp suất ra của bơm, đường mầu vàng là Load sensing từ xy lanh về bơm.

Bơm thay đổi lưu lượng sẽ nhận biết nhu cầu về lưu lượng của cơ cấu chấp hành nhờ một đường tín hiệu đưa về cụm van điều chỉnh góc nghiêng của bơm và do đó sẽ tự động điều chỉnh lưu lượng cửa ra của bơm phù hợp theo yêu cầu của tải. (đường LS mầu đỏ trên sơ đồ thủy lực dưới đây)



Do áp suất đặt của van Load sensing chỉ ở khoảng 25-35 bar nên áp suất thực tế làm việc của bơm chỉ luôn cao hơn áp suất yêu cầu của tải là 25-35 bar.

Giá sử như phân tích ở bài trước, hệ thống chỉ làm việc ở chế độ 50% lưu lượng và áp suất, công suất thực tế của bơm sẽ được xác định ở điểm áp suất P2 = P1 + 25 bar. Như vậy tổn hao công suất (vô ích) trong trường hợp này chỉ xác định cho phần áp suất thêm vào do van load sensing (25 bar) mà thôi. So sánh với bơm piston thay đổi lưu lượng áp suất không đổi (pressure compensated) thì công suất này nhỏ hơn nhiều.



Qua phân tích trong mạch này thì có thể thấy rằng khi hệ thống hoạt động ở chế độ yêu cầu áp suất và lưu lượng luôn thay đổi nhỏ hơn giá trị làm việc max thì nên sử dụng bơm thay đổi lưu lượng. Bơm thay đổi lưu lượng cũng giúp cho người thiết kế hệ thủy lực tối ưu hóa công suất lựa chọn của bơm và công suất điện tiêu thụ làm giảm rất đáng kể chi phí vận hành của thiết bị.

[LeAnhCHP]

Nguyên văn bởi Haitroc

Nếu tiếp tục sử dụng bơm lưu lượng cố định sẽ:
1- Tiếp tuc tốn một công suất điện vô ích (biến thành nhiệt) và
2- Tốn thêm một công suất điện để làm mát dầu.

Như vậy là tốn hai lần công suất, và quan trọng nhất là, công suất vô ích này duy trì suốt trong cả quãng thời gian hoạt động của thiết bị. Các bạn có thể lấy một ví dụ để tính toán công suất điện vô ích này.

Theo tôi việc tốn tiền để thay thế lại cái bơm lưu lượng thay đổi đỡ tốn kém hơn nhiều.

Đúng là khi đầu tư vào công nghệ cao hơn thi ta sẽ thu được nhiều lợi ích hơn.
Tuy nhiên ở VN ta vẫn còn tư tưởng sợ tốn tiền, chỉ sử dụng và có gắng tận dụng những cái cũ thôi mặc dù tính hiệu quả không cao nếu xét về lâu dài so với đầu tư mới.

[MXD]

Cám ơn bác Thợ máy có bài viết rất giá trị nhưng quả thật em cũng chưa hiểu hết ý bác. Nếu được bác cho một ví dụ cụ thể được không?

[admin]

Nguyên văn bởi MXD

Cám ơn bác Thợ máy có bài viết rất giá trị nhưng quả thật em cũng chưa hiểu hết ý bác. Nếu được bác cho một ví dụ cụ thể được không?

Lâu không thấy bạn Thợ máy vào diễn đàn, hãy để tôi lấy ví dụ so sánh nhé.

Chúng ta có một cơ cấu để ép rác thải thành một khối rồi chất lên xe để chở đi chôn lấp. Cơ cấu ép này sử dụng một xy lanh thủy lực tác động kép để ép rác trong thùng kín.

Chu trình làm việc của xy lanh này như sau:
a- Lúc đầu rác còn cồng kềnh, nhiều khoảng trống nên áp suất ép chỉ là 50 bar - Lưu lượng cấp cho xy lanh là 200 lpm => Công suất cần thiết là: 16.6 kW (tạm thời không tính đến hiệu suất trong các công thức tính toán trong bài này)
b- Sau một nửa hành trình, áp suất ép tăng lên đến 120 bar, lưu lượng giảm xuống còn 120 lpm => Công suất: 24 kW
c- Nửa cuối hành trình áp suất ép là 220 bar, lưu lượng còn 80 lpm => Công suất cần thiết là: 29 kW
d- Đến gần cuối hành trình, áp suất: 250 bar, lưu lượng còn lại là 40 lpm => Công suất cần thiết: 16.6 kW
e- Ở cuối hành trình, xy lanh được giữ nguyên áp suất trong một khoảng thời gian để ổn định rác. Áp suất lúc này là 250 bar.
f- Hành trình xy lanh rút về, áp suất làm việc là 80 bar, lưu lượng: 100 lpm => Công suất: 13.3 kW

Nếu sử dụng bơm lưu lượng cố định (Ví dụ bơm bánh răng):
- Lưu lượng lựa chọn: 200 lpm
- Áp suất làm việc: 250 bar
- Công suất động cơ điện: 83.3 kW

Như vậy:
- Chế độ a- Công suất tiêu thụ: 16.6 kW
- Chế độ b- Lưu lượng thừa: 200 - 120 = 80 lpm được xả ở áp suất 250 bar => Công suất thừa: 33.3 kW
- Chế độ c- Lưu lượng thừa: 120 lpm @ 250 bar => Công suất thừa: 50 kW
- Chế độ d- Lưu lượng thừa: 160 lpm @ 250 bar => Công suất thừa: 66.6 kW
- Chế độ e- Công suất thừa gần bằng công suất thiết kế của động cơ điện ~80 kW
- Chế độ f- Lưu lượng thừa 100 lpm @ 250 bar => Công suất thừa: 41.6 kW

Nếu sử dụng bơm lưu lượng thay đổi: Trường hợp này phải sử dụng bơm piston rồi!
- Lưu lượng: 200 lpm
- Áp suất max: 275 bar
- Áp suất load-sensing: 25 bar
- Công suất động cơ điện: 32.6 kW

Như vậy:
- a: Công suất tiêu thụ: 25 kW (200 lpm @ (50+25 bar)
- b: Công suất tiêu thụ: 29 kW (120 lpm @ 145 bar)
- c: Công suất: 32.6 kW (80 lpm @ 245 bar)
- d: Công suất: 18.3 kW (40 lpm @ 275 bar)
- e: Công suất:Công suất tiêu thụ rất nhỏ vì lưu lượng của bơm được điều chỉnh về giá trị khoảng 15 lpm @ 275 bar = 6.8 kW
- f: Công suất: 17.5 kW (100 lpm @ 105 bar)

Nếu đưa vào giá trị thời gian và số chu kỳ làm việc trong một ca máy, một ngày, một tháng, một năm thì giá trị chênh lệch công suất giữa hai cách lựa chọn bơm này RẤT LỚN.

Qua ví dụ này các bạn thấy rõ ưu điểm của bơm thay đổi lưu lượng. Nó đưa ra chính xác lưu lượng cần thiết của cơ cấu chấp hành tại giá trị áp suất yêu cầu.