Chương 5 - Các thiết bị khác trong hệ thống truyền động thủy lực

Chương 5 - Các thiết bị khác trong hệ thống truyền động thủy lực (Phần 5 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 5 - Các thiết bị khác trong hệ thống truyền động thủy lực5.1 Bể dầu

Bể dầu dùng để chứa lượng dầu cần thiết cho hoạt động của hệ thống thủy lực Tùy theo kết cấu của máy, bể dầu có thể là một khoảng chứa được đúc liền trong thân máy, hoặc là một thùng riêng biệt đặt bên ngoài thân máy Để tránh tác dụng nhiệt vào các bộ phận máy, người ta

có xu hướng đặt bể dầu ở ngoài

Thông thường cụm động cơ điện – bơm dầu được lắp trên nắp bể dầu Để đảm bảo sự lưu thông của dầu và làm nguội tốt, bên trong bể được ngăn thành từng buồng Mức dầu cách bể khoảng 700 ÷ 1000 mm

Ống hút dầu của bơm và ống dẫn dầu về cần đặt vị trí đối nhau và phải nhúng sâu dưới mức dầu, cách đáy bể khoảng (2÷ 3) D (D là đường kính ngoài của ống hút) Đầu ống dẫn dầu cần vát

một góc 45° và quay mặt nghiêng về phía gần thành bể Với cách bố trí như trên, dầu từ hệ

thống thủy lực được dẫn về bể vào buồng A, sau đó được lắng ở buồng B và qua cửa đáy về buồng hút C (hình 5.1)

Ống hút cáng ít bị uốn cong, ít dùng ống nối thì càng ít bị tổn thất áp suất và tránh được khả năng không khí thâm nhập

Đáy bể nên làm nghiêng khoảng 5÷ 10°, để dễ dàng tháo dầu Thành bể nên sơn màu tối để sự

truyền nhiệt được tốt hơn Ngoài ra, trên bể dầu cần trang bị nhiệt kế để kiểm tra nhiệt độ dầu,

cần có mắt dầu để kiểm tra mức dầu và lỗ rót dầu vào với lưới lọc có lỗ khoảng 0 ,1 x 0 ,1mm.

Để xác định kích thước cần thiết của bể dầu, ta phải tính lượng dầu cần thiết cho hệ thống thủy lực Lượng dầu này còn được tính dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng do các tổn thất trong hệ thống thủy lực sinh ra, phụ thuộc vào sự truyền nhiệt và tỏa nhiệt của bể dầu

Theo kinh nghiệm thực tế, nhiệt độ của dầu được cân bằng ở 60°, thì cần thiết một lượng dầu

có thể tích:

Trong đó:

k v =110÷ 140[lít /kW] : hệ số thể tích trên một đơn vị công suất tổn thất;

N : tổn thất công suất trong hệ thống thủy lực

Công thức (5-1) này chỉ áp dụng khi công suất không quá 4 kW và không dùng thiết bị làm nguội

bể dầu

Trường hợp thông thường có thể lấy thể tích dầu cần thiết bằng 3÷ 5 phút lưu lượng của bơm.

Ta có thể xác định nhiệt độ của dầu theo công suất (5-2):

Trong đó:

T0 : nhiệt độ không khí xung quanh, [℃];

K=633[kcal / giờ] : tổng nhiệt lượng được sinh ra do tổn thất công suất trong hệ thống thủy lực;

k : hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào mội trường làm nguội:

Bể dầu đặt trong thân máy thì k=8 ,7;

Bể dầu đặt ngoài không khí thì k=13;

Bể dầu làm nguội bằng quạt không khí thì k=20;

Bể dầu làm nguội bằng nước lưu thông thì k=95÷ 150.

F : bề mặt truyền nhiệt của bể dầu [m2], F=F1+F2/2;

F1 : bề mặt tiếp xúc với dầu;

F2 : bề mặt không tiếp xúc với dầu

Ta xét mối quan hệ của bề mặt truyền nhiệt F với thể tích dầu cần thiết V

Nếu đặt: Chiều ngang của bể dầu: a

Chiều dài bể dầu: b=k1 a (k1 là hệ số tỷ lệ)

Chiều cao bể dầu: H =k2 a

Chiều cao mức dầu: h=0 ,8 H =0 ,8 k2a

Thì bề mặt tiếp xúc với dầu (kể cả đáy bể dầu) có thể viết như sau:

Từ công thức này ta rút trị số a và thay vào công thức (5-5), ta có:

F=√3V2 1 ,5 k1+1,8 k2+1,8 k1k2

3

√ (0 , 8 k1k2)2 =α√3V2 (5-7)

Nếu tỷ số của các cạnh a: H :b tăng từ 1:1:1 đến 1:2:3 tức là các tỷ số k2=1÷ 2 và k1=1÷ 3 ,

thì trị số α thay đổi từ 0 , 06 ÷ 0,069 Ta lấy trị số trung bình, nên mối quan hệ giữa bề mặt truyền nhiệt của bể dầu và thể tích dầu như sau:

Trong trường hợp một bể dầu phục vụ cho hai bơm dầu, có thể tích dầu cần thiết cho mỗi bơm

là V1 và V2 và nếu V2=(1÷ 6)V1, thì ta có thể dùng công thức sau để tính thể tích dầu cần thiết:

5.2 Thiết bị làm nguội dầu

Trong những hệ thống thủy lực có chế độ làm việc cao, sinh nhiệt nhiều, cũng như ở những hệ thống có yêu cầu đặc biệt phải ổn định nhiệt độ của dầu thì cần thiết phải dùng thiết bị làm nguội Nếu có thiết bị làm nguội, lượng dầu cần thiết cũng như kích thước bể dầu có thể giảm một mức đáng kể Điều này có ý nghĩa lớn đối với việc thiết kế đường dây tự động có nhiều thiết bị thủy lực Thiết bị làm nguội có thể đặt trong bể dầu hoặc bên cạnh bể dầu để lấy nhiệt

từ dầu đưa ra ngoài làm nguội bằng nước hoặc bằng không khí Do đó, trong hệ thống thủy lực thường dùng hai loại thiết bị làm nguội, đó là: thiết bị làm nguội bằng nước và thiết bị làm nguội bằng không khí

5.3 Bộ lọc dầu

Trong quá trình làm việc, dầu không tránh khỏi bị nhiễm bẩn do các chất bẩn từ bên ngoài vào, hoặc do bản thân dầu tạo nên Nhưng chất bẩn ấy sẽ làm kẹt ở các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ trong các cơ cấu dầu ép, gây nên những trở ngại, hư hỏng trong các hoạt động của hệ thống Do đó, trong các hệ thống dầu ép đều dùng bộ lọc dầu để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu, phần tử dầu ép

Bộ lọc dầu thường đặt ở ống hút của bơm Trường hợp dầu cần sạch hơn, đặt thêm một bộ nữa

ở cửa ra của bơm và một bộ ở ống xả của hệ thống dầu ép

Lọc dầu được phân loại như sau:

Phân loại theo kích thước lọc

Tùy thuộc vào kích thước chất bẩn có thể lọc được, bộ lọc dầu có thể phân thành các loại sau:a) Bộ lọc thô: có thể lọc những chất bẩn đến 0,1mm

5.3.2 Phân loại theo kết cấu

Dựa vào kết cấu, ta có thể phân biệt được các loại bộ lọc dầu như sau: bộ lọc lưới, bộ lọc lá,

bộ lọc giấy, bộ lọc nỉ, bộ lọc nam châm,…

Ta chỉ xét một số bộ lọc dầu thường sử dụng nhất

a) Bộ lọc lưới

Bộ lọc lưới là loại bộ lọc dầu đơn giản nhất, bao gồm khung cứng và lưới bằng đồng bao xung quanh Dầu từ ngoài xuyên qua các mắt lưới và các lỗ để vào ống hút Hình dáng và kích thước của bộ lọc lưới rất khác nhau tùy thuộc vào vị trí và công dụng của bộ lọc

Do sức cản của lưới, nên dầu khi đi qua bộ lọc bị giảm áp Khi tính toán, tổn thất áp suất thường lấy ∆ p =0 ,3÷ 0 ,5¯¿, trường hợp đặc biệt có thể lấy ∆ p =1÷ 2¯¿

Nhược điểm của bộ lọc lưới là chất bẩn dễ bám vào các bề mặt lưới và khó tẩy ra Do đó, thường dùng nó để lọc thô, như lắp vào ống hút của bơm, trường hợp này phải dùng thêm

bộ lọc tinh ở ống ra

b) Bộ lọc lá, sợi thủy tinh

Bộ lọc lá là bộ lọc dùng những lá thép mỏng để lọc dầu Đây là loại dùng rộng rãi nhất trong

hệ thống dầu ép của máy công cụ

Kết cấu của nó như sau: làm nhiệm vụ lọc ở các bộ lọc lá là các lá thép hình tròn và những lá thép hình sao Nhưng lá thép này được lắp đồng tâm trên trục, tấm nọ trên tấm kia Giữa các cặp lắp chen mảnh thép trên trục có tiết diện vuông

Số lượng lá thép cần thiết phụ thuộc vào lưu lượng cần lọc, nhiều nhất là 1000 ÷ 1200 lá Tổnthất áp suất lớn nhất có thể từ 8 ÷ 100 l/ ph.

Bộ lọc lá chủ yếu dùng để lọc thô Ưu điểm lớn nhất của nó là khi tẩy chất bẩn, khỏi phải dùng máy và tháo bộ lọc ra ngoài

Hiện nay, phần lớn người ta thay vật liệu của các lá thép bằng vật liệu sợi thủy tinh (hình 5.5), độ bền của các bộ lọc này cao và có khả năng chế tạo dễ dàng Tính chất vật liệu phải không thay đổi nhiều trong quá trình làm việc do ảnh hưởng về tính cơ học và hóa của dầu

Để tính toán lưu lượng chảy qua bộ lọc dầu, người ta dùng công thức tính lưu lượng chảy qua lưới lọc:

5.4 Ắc quy thủy lực

Ắc quy thủy lực là cơ cấu dùng trong các hệ truyền dẫn thủy lực để điều hòa năng lượng thông qua áp suất và lưu lượng của chất lỏng làm việc Ắc quy thủy lực làm việc theo hai quátrình là tích năng lượng vào và cấp năng lượng ra

Ắc quy thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các loại máy rèn, máy ép, trong các cơ cấu tay máy và đường dây tự động,… nhằm làm giảm công suất của bơm, tăng độ tin cậy và hiệu suất sử dụng của toàn hệ thống thủy lực

Theo nguyên lý tạo ra tải, ắc quy thủy lực được chia thành ba loại:

5.4.1 Ắc quy trọng vật (hình 5.7)

Ắc quy trọng vật tạo ra một áp suất lý thuyết hoàn toàn cố định, nếu bỏ qua lực ma sát phát sinh ở chỗ tiếp xúc giữa cơ cấu làm kín và piston, không tính đến lực quán tính của piston chuyển dịch khi thể tích ắc quy thay đổi trong quá trình làm việc

Ắc quy loại này yêu cầu phải bố trí trọng vật thật đối xứng so với piston, nếu không sẽ gây ra lực thành phần ngang ở cơ cấu làm kín Lực tác dụng ngang này sẽ làm hỏng cơ cấu làm kín

và ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc ổn định của ắc quy

Ắc quy trọng vật là một cơ cấu đơn, nhưng cồng kềnh, thường bố trí ngoài xưởng Vì những

lý do trên nên trong thực tế ít sử dụng loại này

Áp suất trong khoang làm việc của piston phụ thuộc vào phụ tải ngoài và được tính bằng công thức (5-13):

p=G1+G2

F =4(G1+G2)

Trong đó:

G1 : trọng lượng của vật gây tải;

G2 : trọng lượng của piston;

d : đường kính của piston

5.4.2 Ắc quy lò xo (hình 5.8)

Quá trình tích năng lượng ở bình tích chứa lò xo là quá trình biến năng lượng của lò xo Ắc quy

lò xo có quán tính nhỏ hơn so với ắc quy trọng vật, vì vậy nó được sử dụng để làm tắt những va đập thủy lực trong các hệ thủy lực và giữa áp suất cố định trong các cơ cấu kẹp

Công thức để tính ắc quy lò xo:

Trong đó:

C : độ cứng của lò xo, [kg/cm];

h : khoảng dịch chuyển của lò xo, [cm];

p max , p min : áp suất lớn nhất và áp suất nhỏ nhất trong khoang làm việc của ắc quy;

5.4.3 Ắc quy thủy khí (hình 5.9)

Ắc quy thủy khí là lợi dụng tính chất nén được của khí, để tạo ra áp suất chất lỏng Tính chất nàycho ắc quy có khả năng giảm chấn Trong ắc quy trọng vật thì áp suất hầu như cố định không phụ thuộc vào vị trí của piston, trong ắc quy lò xo thì áp suất thay đổi tỷ lệ tuyến tính, còn trong

ắc quy thủy khí thì áp suất chất lỏng thay đổi theo những định luật thay đổi áp suất của khí.Theo kết cấu ắc quy thủy khí được chia thành hai loại chính:

- Loại không có ngăn: loại này ít dùng trong thực tế Nhược điểm của loại này là khí tiếp xúc trựctiếp với chất lỏng, trong quá trình làm việc khí sẽ xâm nhập vào chất lỏng và gây ra sự làm việc không ổn định cho toàn hệ thống Cách khắc phục là ắc quy phải có kết cấu hình trụ nhỏ và dài

để giảm bớt diện tích tiếp xúc giữa khí và chất lỏng

- Loại có ngăn:

Ắc quy thủy khí có ngăn phân cách hai môi trường được dùng rộng rãi trong những hệ thủy lực

di động Phụ thuộc vào kết cấu ngăn phân cách, loại này được phân ra thành nhiều kiểu: kiểu piston, kiểu màng,…

Cấu tạo của ắc quy có ngăn bằng màng gồm: trong khoang trên của ắc quy thủy khí, được nạp

khí với áp suất nạp vào là p n, khi không có chất lỏng làm việc trong ắc quy

Nếu ta gọi p min là áp suất nhỏ nhất của chất lỏng làm việc của ắc quy, thì p n ≈ p min áp suất p max

của chất lỏng đạt được khi thể tích của chất lỏng trong ắc quy có được ứng với giá trị cho phép lớn nhất của áp suất khi trong khoang trên

Loại khí sử dụng trong ắc quy thường là khí nito hoặc không khí, còn chất lỏng làm việc là dầu Việc làm kín giữa hai khoang khí và chất lỏng là vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với loại bình làm việc ở áp suất cao và nhiệt độ thấp Ắc quy loại này có thể làm việc ở áp suất chất lỏng 200 bar, nhưng trong trường hợp dùng cho hệ thống có áp suất cao có thể chế tạo đến áp suất 350 bar

Đối với ắc quy thủy khí có ngăn chia đàn hồi, nên sử dụng khí nito, còn không khí sẽ làm cao su mau hỏng

Nguyên tắc hoạt động của ắc quy loại này gồm có hai quá trình đó là quá trình nạp và quá trình

xả (hình 5.10 và hình 5.11)

Khi nạp, thể tích của khí giảm và áp suất của nó tăng Sự thay đổi thể tích của khí phụ thuộc vào

p V k n =const (5-16)

Trong đó: n là chỉ số đoạn nhiệt Đối với không khí và khí nito: n =1, 4.

Trong điều kiện làm việc của phần lớn các phần tử thủy lực quá trình nạp ắc quy được diễn ra được giữa hai quá trình trên, thông thường không quá ba phút và ở gần với quá trình đoạn nhiệt hơn là với quá trình đẳng nhiệt Quá trình này được gọi là quá trình Pôlitrốp Trong trườnghợp này thể tích cần thiết nhỏ nhất của khí có thể tính như sau:

P min : độ không đồng đều của áp suất tác dụng vào ắc quy, thường δ=0 ,1÷ 0 ,2.

m : chỉ số Pôlitrốp, đặc trung cho sự nén và nở của khí tùy thuộc vào nhiệt dung Trị số m nằm trong giới hạn (1≤ m≤1, 4) và có thể tính:

độ không đồng đều của lưu lượng dầu và áp suất do bơm dầu tạo nên

Việc lựa chọn thích hợp thể tích V của ắc quy và độ dài l của ống dẫn từ cửa bơm dầu đến vị trí lắp đặt ắc quy có tầm quan trọng đến việc giảm xung áp của nguồn dầu Xung áp dầu có thể giảm với mức độ sau đây:

ρ : khối lượng riêng của dầu, [kg s2/cm4];

F : tiết diện trong của ống dẫn, [cm2];

l : chiều dài ống dẫn từ bơm đến ắc quy dầu, [cm];

V : thể tích của ắc quy dầu, [cm3];

ξ : hệ số giảm chấn của dầu: ξ= R

2 √ V

BL ;

R =47 ,7 ηl

d4 ; η là độ nhớt động học của dầu, [kg s2/cm2];

d : đường kính trong của ống dẫn, [cm]

Ảnh hưởng của V đối với xung áp thể hiện trong ba trường hợp:

Trong trường hợp hệ số giảm chấn ξ=1 thì mức độ giảm xung là:

5.5 Bộ khuếch đại áp suất (Bộ tăng áp thủy lực)

Khi yêu cầu hệ thống công tác làm việc với áp suất cao hơn áp suất cung cấp của bơm dầu thì cóthể sử dụng bộ khuếch đại áp suất (hình 5.12)

Hệ số tăng áp của bộ khuếch đại áp suất là:

D H : đường kính piston áp suất thấp, [cm];

D B : đường kính piston áp suất cao; [cm];

p B : áp suất ở đường ra, [kG /cm2];

p H : áp suất ở đường vào, [kG /cm2].

Khi tăng áp suất lên cao bao nhiêu lần thì ta giảm lưu lượng của chất lỏng nhận được xuống bấy nhiêu lần và ngược lại:

Hình 5.13 là ký hiệu của bộ khuếch đại áp suất tác động hai chiều

Nguyên lý hoạt động như sau:

Khi piston 3 (mang các piston áp suất cao tăng áp (1)) dịch chuyển, thông qua thanh nối (8) và

công tắc (7) sẽ cấp điện cho nam châm điện E1 hoặc E2 của van solenoid 9 để đảo chiều chuyểnđộng của piston (3) Các piston áp suất cao (1) sẽ thay phiên nhau hút dầu qua van một chiều (4)vào buồng (5) và đẩy nó vào hệ thống qua van một chiều (6) Lượng dầu áp suất sẽ được cấp liên tục cho hệ thống

Bộ tăng áp hoạt động liên tục cho phép sử dụng các bơm piston áp suất cao đơn giản và rẻ mà không bị ngắt quãng do nhược điểm của bơm piston cao áp Mặt khác nó còn làm tăng hiệu quả

sử dụng động cơ điện, giảm thời gian hành trình không tải cũng như hành trình công tác

5.6 Ống dẫn dầu và các bộ nối ống

Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van) với các cơ cấu chấp hành và hệ thống biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu), người ta dùng các ống dẫn, ống nối hoặc các tấm nối.5.6.1 Ống dẫn

a) Yêu cầu

Ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu ống dẫn bằng đồng hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 135℃)

Ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất Để giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến dạng của tiết diện

và sự đổi hướng chuyển động của dầu

b) Vận tốc dầu chảy trong ống

d : đường kính trong của ống, [mm];

Q : lưu lượng chảy qua ống, [l/ph];

d : đường kính trong của ống, [cm];

[σ] : ứng suất cho phép của vật liệu ống dẫn,

Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối dẫn với các phần tử thủy lực, ta dùng các loại nối ống được thể hiện như ở hình 5.16.

5.7 Vòng chắn

5.7.1 Nhiệm vụ

Chắn dầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc bình thường của các phần tử thủy lực

Chắn dầu không tốt, sẽ bị rò dầu ở các đầu nối, bị hao phí dầu, không đảm bảo áp suất cao dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định.

5.7.4 Loại chắn khít các phần tử chuyển động tương đối với nhau

Loại này dùng để chắn khít những phần tử chuyển động, vật liệu chế tạo là cao su chịu dầu (nhưgiữa piston và xilanh)

Để tăng độ bền, tuổi thọ thì vòng chắn phải có tính đàn hồi (như vòng kim loại)

Để chắn khít những chi tiết có chuyển động thẳng (cần piston, cần đẩy con trượt điều khiển có nam châm điện,…), thường dùng vòng chắn có tiết diện chữ V, với vật liệu bằng da hoặc bằng cao su

Trong trường hợp áp suất làm việc của dầu lớn thì bề dày cũng như số vòng chắn cần thiết càng lớn

5.8 Do áp suất và lưu lượng

5.8.1 Đo áp suất

Nguyên lý đo áp suất bằng áp kế lò xo (hình 5.17): dưới tác dụng của áp lực, lò xo bị biến dạng, qua cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo sẽ chuyển đổi thành giá trị được ghi trên mặt hiện số