Chương 2 - Cơ cấu biến đổi năng lượng

Chương 2 - Cơ cấu biến đổi năng lượng (Phần 2 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viên tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 2 - Cơ cấu biến đổi năng lượng

Cơ cấu biến đổi năng lượng gồm có:

Bơm dầu: biến cơ năng thàn thế năng của dầu (p, Q)

xilanh

động cơ dầu} biến thế năng của dầu (p, Q) thành cơ năng

2.1 Bơm và động cơ dầu (mô tơ thủy lực)

2.1.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng

Bơm và động cơ dầu là hai thiết bị có chức năng khác nhau Bơm là thiết bị tạo ra năng lượng dầu, còn động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng này Tuy thế kết cấu và phương pháp tính toán của bơm và động cơ dầu cùng loại là giống nhau

2.1.1.1 Bơm dầu

Là cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành thế năng của dầu Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùng bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc Khi thể tích của buồng làm việc tăng thì bơm hút dầu

để thực hiện chu kỳ hút và khi thể tích của buồng làm việc giảm thì bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén

Bơm thể tích được phân thành hai loại:

Bơm có lưu lượng cố định:

- Bơm piston hướng tâm;

- Bơm piston hướng trục: truyền bằng đĩa nghiêng và truyền bằng khớp cầu

Thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất.

2.1.1.2 Động cơ dầu (moto thủy lực)

Là thiết bị dùng để biến năng lượng của dòng chất lỏng thành động năng quay trục động cơ Quá trình biến đổi năng lượng là dầu có áp suất được đưa vào buồng công tác của động cơ, dưới tác dụng của áp suất, roto của động cơ dầu quay

Thông số cơ bản của động cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay và hiệu áp suất ở đường vào và đường ra

Về cơ bản, kết cấu và phương pháp tính toán của động cơ dầu giống như bơm dầu, do có vẻ nguyên lý thì tất cả các loại bơm dầu đều có thể dùng làm động cơ và ngược lại Tuy nhiên, nếu thay đổi chức năng này thì hiệu suất làm việc sẽ thấp

2.1.2 Bơm bánh răng

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Bơm bánh răng chủ yếu sử dụng ở những hệ thống có áp suất ở mức trung bình như dùng trong máy

khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp,… Áp suất của bơm bánh răng hiện nay từ 10 ÷ 200 ¯¿ (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo).

Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong có thể là răng thẳng, rẳng nghiêng hoặc răng chữ V

Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi vì chế tạo dễ hơn các loại khác, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn (hình 2.1)

Bơm bánh răng gồm 2 bánh răng cùng kích thước ăn khớp được lắp trong 1 thân bơm, cửa vào

và cửa ra của dầu được bố trí ở 2 phía đối diện nhau

Khi bánh răng chủ động quay thì bánh răng bị động quay theo và quay ngược chiều nhau Khi 2 bánh răng ăn khớp quay thì các răng ở cửa hút sẽ gạt dầu về 2 phía, lúc này thể tích của buồng buồng A sẽ tăng và hình thành một áp suất chân không Áp suất chân không sẽ làm cho bơm sẽ hút dầu từ bể lên Dầu chứa trong các rãnh răng ở hai phía của bánh răng sẽ đưa dầu đến buồng B, áp suất tại buồng B tăng làm cho dầu được đẩy vào hệ thống

Khi tính lưu lượng dầu, ta coi thể tích dầu được đẩy ra khỏi rãnh răng bằng với thể tích của răng,tức là không tính đến khe hở chân răng và hai bánh răng có kích thước như nhau

Lưu lượng của bơm được xác định theo công thức (2-1):

Bơm trục vít là một dạng của bơm bánh răng Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dày

và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít

Bơm trục vít thường có 2 trục vít ăn khớp với nhau (hình 2.2)

Bơm trục vít thường được sản xuất thành 3 loại: loại áp suất thấp ¿, loại áp suất trung bình ¿ và loại áp suất cao ¿

Bơm trục vít có đặc điểm là dầu được chuyển từ buồng hút sang buồng nén theo chiều trục và không có hiện tượng chèn dầu ở chân ren.

Nhược điểm của bơm trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp Ưu điểm căn bản là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ

Bơm cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nhưng có thể chia thành hai loại chính:

- Bơm cánh gạt đơn (lưu lượng Q thay đổi được)

- Bơm cánh gạt kép (lưu lượng Q không thay đổi được)

2.1.4.1 Bơm cánh gạt đơn (hình 2.3)

Roto và stato đặt lệch nhau với độ lệch tâm e Trên roto có các rãnh hướng kính, các cánh gạt được đặt vào trong các rãnh đó và có thể chuyển động theo hướng kính

Khi roto quay, nhờ lực ly tâm và áp suất của dầu mà các cánh luôn luôn tỳ sát vào mặt trong của thân bơm, làm ngăn cách dầu ở mặt nước và sau của cánh.

Khi roto quay, thể tích của buồng giữa hai cánh kề nhau và bề mặt stato luôn thay đổi, làm cho thể tích buồng A tăng dần và tại đây hình thành một áp suất chân không, bơm thực hiện quá trình hút, buồng B thể tích giảm dần làm cho áp suất tăng cao, bơm thực hiện quá trinh nén và đẩy dầu đi vào hệ thống

Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm e

Lưu lượng của bơm được tính:

Q b =q b n b η v[l / ph] (2-3)

Trong đó:

q b : lưu lượng riêng

q b=2.10−3 b e (2 πR −i s)[l /vòng] (2-4)

Muốn Q b thay đổi ta thay đổi q b bằng cách thay đổi độ lệch tâm e.

Ta thấy rằng độ lệch tâm e tỷ lệ thuận với Q b nên khi e=0 thì tâm O1 trùng tâm O2 nên Q b=0

Áp suất của bơm cánh gạt đơn thường là 15÷ 30(kg /cm2)

Nhược điểm: tải trọng không cân bằng (do có độ lệch tâm e), bơm làm việc không êm nên để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo bơm cánh gạt kép (Q b =const)

Khi roto quay 1 vòng, thể tích các cánh gạt có 2 lần tăng và 2 lần giảm, tức là thực hiện 2 lần hút

và 2 lần nén

Các cánh gạt chuyển động tự do trong các rãnh hướng tâm của roto Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm và áp suất dầu làm cho các cánh gạt luôn tỳ sát vào biên dạng của stato.Lưu lượng của bơm được tính theo công thức (2-5):

Q b=2.10−3 b [π (R2−r2)−( R−r )

cos α s i] n b η v[l / ph] (2-5)Trong đó:

α : góc nghiêng của cánh trong roto so với hướng kính.

2.1.5 Bơm piston

Bơm piston là loại bơm dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu piston-xilanh Vì bề mặt làm việc của cơ cấu này là mặt trụ, do đó dễ dàng đạt được độ chính xác gia công cao, bảo đảm hiệu suất thể tích tốt, có khả năng thực hiện được với áp suất làm việc lớn (áp suất lớn

nhất có thể đạt được là p=700¯¿)

Bơm piston thường dùng ở những hệ thống thủy lực cần áp suất cao và lưu lượng lớn Dựa trên cách bố trí piston, bơm có thể phân thành hai loại:

- Bơm piston hướng kính

- Bơm piston hướng trục: Truyền bằng đĩa nghiêng và truyền bằng khớp cầu

2.1.5.1 Bơm piston hướng kính (hình 2.5)

Bơm piston hướng kính là loại bơm có nhiều piston chuyển động trong roto theo hướng kính Tâm của roto và tâm thành trong của thân bơm đặt lệch nhau một lượng lệch tâm là e Khi roto quay, dưới tác dụng của lực ly tâm, các piston luôn tỳ sát vào mặt trong của thành thân bơm.Trong các lỗ hướng kính của roto đặt các piston, roto quay trên đĩa chia, đĩa chia được cố định vào thân bơm và ngăn dầu thành hai buồng, buồng hút A và buồng đẩy B.

Khi roto quay qua cửa A, thể tích của lỗ dưới piston lớn dần, thực hiện quá trình hút dầu từ cửa

A Khi đi qua cửa B, thể tích các lỗ dưới piston nhỏ dần, thực hiện quá trình nén dầu vào cửa B (cửa A và cửa B được nối liền với ống hút và ống nén của bơm)

Hành trình piston h=2e ≈ (1,3÷ 1, 4) d, số vòng quay n max =1500 (v / ph).

Lưu lượng của bơm được tính theo công thức (2-6):

Z : số piston;

d : đường kính của xilanh, [cm];

h : độ dài hành trình piston, [cm];

e : độ lệch tâm, [cm]

2.1.5.2 Bơm piston hướng trục

- Bơm lưu lượng hướng trục truyền bằng đĩa nghiêng (hình 2.6)

Lưu lượng của bơm được tính:

f : diện tích mặt cắt ngang piston, [cm2];

d : đường kính piston, [cm];

i : số xilanh;

h : hành trình, [cm];

D : đường kính chia xilanh trên roto, [cm].

Bơm này thường được chế tạo với lưu lượng Q b =30÷ 640[l / ph], áp suất p=60÷ 250(kg /cm2).Muốn thay đổi Q b ta điều chỉnh góc α

Bơm piston hướng trục truyền bằng khớp cầu (hình 2.7) Lưu lượng của bơm được tính toán tương tự như bơm hướng trục truyền bằng đĩa nghiêng

2.1.6 Động cơ dầu

Tùy thuộc vào kết cấu, động cơ dầu có thể là động cơ bánh răng, động cơ cánh gạt, động cơ piston Tất cả các loại động cơ dầu tương tự tương ứng với bơm dầu, vì vậy ta chỉ xét đến một vài đặc điểm chủ yếu của vài loại động cơ dầu

2.1.6.1 Động cơ dầu bánh răng

Tuy kết cấu của loại động cơ dầu bánh răng đơn giản, nhưng thực tế nó ít dùng vì hiệu suất của

nó thấp Ngoài ra, ma sát của trục và mặt dầu khá lớn, làm cho dầu chóng nóng khi quay nhanh

Động cơ dầu bánh răng chủ yếu được dùng để thực hiện các chuyển động điều khiển như các băng truyền, các đồ gá cấp phôi hoặc dùng để quay trục vítme thực hiện lượng chạy dao trên máy tổ hợp khoan.

2.1.6.2 Động cơ dầu cánh gạt

Động cơ dầu cánh gạt là một trong những loại được dùng rộng rãi nhất Nó được dùng để thực hiện chuyển động chính cũng như chuyển động phụ trên các máy công cụ Loại động cơ này có hai kiểu chính đó là: động cơ dầu cánh gạt tác dụng đơn giản và động cơ dầu cánh gạt tác dụng kép

Một bơm cánh gạt chỉ có thể biến thành động cơ dầu làm việc ổn định, nếu như các cánh gạt được thực hiện chuyển động cưỡng bức để tì sát vào biên dạng của stato Do đó, bơm cánh gạt đơn có thể làm động cơ dầu với kiểu có rãnh dẫn hướng cánh gạt ở hai bên Còn bơm cánh gạt kép thì cần phải dùng thêm cơ cấu lò xo để luôn đẩy cánh gạt tì vào stato

a) Động cơ dầu cánh gạt đơn

Hình 2.8 là sơ đồ nguyên lý của động cơ dầu cánh gạt đơn có số cánh lẻ Dầu có áp suất p được dẫn vào buồng nén A, tác dụng lên cánh gạt và tạo thành một momen xoắn bằng hiệu momen

do áp suất dầu tác dụng lên hai cánh gạt nằm hai bên thành ngăn cách buồng nén A và buồng raB

Nếu như không tính đến chiều dày cánh gạt, thì momen xoắn được tạo nên trên cánh gạt phía phải là:

M = pbRe{ [cos φ−cos (φ−ψ )] }

Ở các bơm có số cánh gạt chẵn, thì ψ=π, nên số momen xoắn của nó là:

M = pbRe cos φ

Từ các công thức trên ta thấy rằng momen xoắn của động cơ dầu cánh gạt thay đổi theo dạng cosin khi góc φ của cánh gạt thay đổi từ −z π đến +z π

Momen xoắn lớn nhất khi φ=0, tức là: M max =2 pbRe,

Và nhỏ nhất khi φ= π2, tức là: M min =2 pbRe cos π

z.Nếu như ta xác định được lưu lượng riêng của động cơ dầu, tức là lưu lượng cần thiết để động

Hình 2.9 là sơ đồ nguyên lý của động cơ dầu cánh gạt kép Đảm bảo sự làm việc ổn định của các cánh gạt, người ta dùng các lò xo đòn gánh (1) có thể di động quanh chốt (2) và hai đầu của nó tì

vào phía dưới hai cánh gạt (3) và (4) đặt cách nhau 90° Khi làm việc, nếu cánh gạt (3) dịch

chuyển về phía tâm của động cơ, thì cánh gạt (4) lại dịch chuyển xa tâm, do đó lực lò xo không đổi và giữ được giá trị cần thiết đã điều chỉnh để cánh gạt luôn tì vào mặt trong của stato.Tính toán momen xoắn của động cơ dầu cánh gạt kép cũng tương tự như động cơ cánh gạt, nhưng momen xoắn bằng hai lần hiệu momen do áp suất p của dầu tạo nên trên hai cánh gạt ở

vị trí thẳng góc nhau Nếu như không tính đến chiều dày cánh gạt thì momen xoắn được tạo nên trên cánh gạt ở phía stato có bán kính R là:

a) Động cơ dầu piston hướng kính

Động cơ dầu piston hướng kính cũng có thể chế tạo theo kiểu tác dụng đơn, tác dụng kép như ởbơm dầu Để có thể nâng cao momen xoắn, người ta còn chế tạo kiểu động cơ piston hướng kính có bốn lần tác dụng, tức là để động cơ quay một vòng thì các piston lần lượt thực hiện bốn hành trình làm việc

Hình 1.20 là nguyên lý làm việc của động cơ piston hướng kính tác dụng đơn Khi làm việc, dầu

có áp suất p tác dụng vào phía dưới piston, cùng với lực ly tâm của piston (có trường hợp cả lực nén của lò xo), tạo nên điểm tiếp xúc với bề mặt stato một phần lực P Phản lực P có thể phân

thành P y theo chiều trục của piston tạo thành tải trọng trên ổ trục của động cơ và P X thẳng gócvới piston tạo nên momen xoắn quay roto của động cơ

Nếu như ta chỉ tính lực của áp suất dầu và trong trường hợp điểm tiếp xúc với stato trùng với trục của piston, thì lực để tạo nên momen xoắn của một piston sẽ bằng:

ρ : cánh tay đòn nhất thời bằng khoảng cách từ điểm tiếp xúc c đến tâm của roto.

Trên tam giác o1oc, ta có:

Momen xoắn toàn bộ của động cơ sẽ bằng tổng momen của tất cả các piston nằm trong buồng nén Nếu như piston thứ nhất trong buồng nén cách điểm chết một góc là φ trong thời điểm đã

cho thì piston thứ hai cách một góc là: φ+ 2 π z (z là số piston trong một dãy của động cơ)

Do đó momen xoắn của động cơ là:

Đối với động cơ có hai lần tác dụng hoặc nhiều lần tác dụng thì momen xoắn sẽ gấp đôi hoặc gấp nhiều lần tỷ lệ với số lần tác dụng

Nếu số lần tác dụng là k thì momen sẽ tăng lên k lần, nhưng đồng thời số vòng quay cũng giảm

đi k lần, nếu như có cùng một lưu lượng như nhau

Để nâng cao momen xoắn, người ta còn dùng động cơ dầu có nhiều dãy piston (thường từ 2÷ 3

dãy), và do đó số piston có thể nâng lên 50 ÷ 60

b) Động cơ piston hướng trục

Trong máy cắt kim loại, động cơ dầu piston hướng trục được dùng rộng rãi để thực hiện chuyển động chính, chuyển động chạy dao cũng như các chuyển động điều khiển, vì loại động cơ này cómomen khởi động, momen quán tính và kích thước nhỏ

Cũng tương tự bơm dầu, động cơ dầu piston hướng trục cũng có hai loại: động cơ dầu piston hướng trục truyền bằng đĩa nghiêng và động cơ dầu piston hướng trục truyền bằng khớp cầu.Hình 2.11 là sơ đồ nguyên lý của động cơ piston hướng trục truyền bằng đĩa nghiêng Từ đĩa dẫndầu (1), dầu có áp suất p được đưa vào phía dưới của piston (2) tạo thành phản lực P trên điểm tiếp xúc với mặt đĩa nghiêng (3) Nếu như ta chỉ tính đến lực đo áp suất dầu tạo nên, thì việc

phân bố lực có thể thể hiện như trên hình 2.11: phân lực P y theo chiều trục piston sẽ tác dụng

lên các ổ trục của động cơ, phân lực P x tạo thành momen xoắn quay roto (4) lắp trên trục (5)

Nếu ta lấy điểm A là điểm tiếp xúc ở điểm chết thì khi roto quay một góc φ, điểm tiếp xúc A sẽ đến B, piston sẽ thực hiện một hành trình BC momen xoắn do một piston tạo nên sẽ là:

M l =P x y

Trong đó:

y =r sin φ : cánh tay đòn momen, bằng khoảng cách của lực P x đến trục của roto;

r : bán kính của vòng tròn chia dãy piston và α là góc nghiêng của đĩa (3)

Xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi thế năng của dầu thành cơ năng, thực hiện chuyển động thẳng.

2.2.2 Phân loại

Xilanh thủy lực được chia làm hai loại: xilanh lực và xilanh quay (hay còn gọi là xilanh momen).Trong xilanh lực, chuyển động tương đối giữa piston với xilanh là chuyển động tịnh tiến Trong xilanh quay, chuyển động tương đối giữa piston với xilanh là chuyển động quay (với góc quay thường nhỏ hơn 360 °)

Piston bắt đầu chuyển động khi lực tác động lên một trong hai phía của nó (lực có thể là lực áp suất, lực lò xo hoặc cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược với chiều chuyển động (lực

ma sát, thủy động, phụ tải, lò xo,…)

Ngoài ra, xilanh truyền động còn được phân loại như sau:

a) Theo cấu tạo

- Xilanh đơn

- Xilanh kép

- Xilanh lồng (xilanh nhiều tầng): Xilanh lồng là một loại xilanh lực gồm nhiều xilanh và piston lồng đồng tâm với nhau Hành trình của xilanh bằng tổng hành trình của piston Xilanh lồng được dùng trong các trường hợp cần hành trình lớn hơn nhưng không gian không cho phép lắp đặt một xilanh dài.

b) Theo kiểu lắp ráp: lắp chặt thân, lắp chặt mặt bích, lắp xoay được và lắp gá ở một đầu xilanh

2.2.3 Kết cấu của một xilanh thủy lực (hình 2.16)

2.2.4 Tính toán, thiết kế xilanh thủy lực

Khi thiết kế xilanh thủy lực có thể tiến hành theo các bước sau:

- Xác định kích thước phủ bì của xilanh theo vị trí làm việc;

- Xác định giá trị phụ tải đặt lên cần piston (hoặc xilanh);

- Tính toán lực cần thiết để thắng phụ tải trong hai chiều chuyển động;

- Chọn kết cấu của xilanh;

- Chọn áp suất làm việc của xilanh;