Chương 3-TD thuy dong pdf

Chương TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG 3.1 Khái niệm truyền động thuỷ động(TĐTĐ) 3.1.1 Sơ đồ kết cấu nguyên lý TĐTĐ TĐTĐ thiết bị tổng hợp, chủ yếu có hai máy thuỷ lực cánh dẫn: bơm li tâm tua bin thuỷ lực Trong TĐTĐ, việc truyền phận máy chủ yếu thực áp dòng chất lỏng a) Khớp nối thủy lực Khớp nối thủy lực kết cấu đơn giản truyền động thủy động, dùng để truyền mơmen quay từ trục dẫn đến trục bị dẫn mà không thay đổi trị số mơmen * Sơ đồ kết cấu: gồm bánh bơm lắp cố định trục dẫn nối liền với động cơ, bánh tua bin lắp trục bị dẫn, vỏ khớp nối lắp với bánh bơm tạo thành buồng làm việc chứa chất lỏng Hai trục dẫn bị dẫn tách rời Công suất truyền từ trục dẫn tới trục bị dẫn nhờ trao đổi lượng hệ thống cánh dẫn với chất lỏng làm việc Hình 3.1: Khớp nối thủy lực * Nguyên lý TĐTĐ: Khi động làm việc, bánh bơm quay truyền cho chất lỏng Dưới tác dụng lực ly tâm, chất lỏng chuyển động dọc theo cánh dẫn từ tâm bánh bơm với vận tốc tăng dần Sau chất lỏng chuyển động sang bánh tua bin, qua máng dẫn truyền cho bánh tua bin làm quay chiều với bánh bơm Do mơmen quay truyền từ trục dẫn sang trục bị dẫn Chất lỏng sau khỏi bánh tua bin lại trở bánh bơm lặp lại trình chuyển động cách tuần hồn hai bánh cơng tác Như phần tử chất lỏng khớp nối thủy lực thực đồng thời hai chuyển động: vừa quay vòng tuần hoàn theo phương từ bánh bơm đến bánh tua bin 2, vừa quay quanh trục khớp nối, chuyển động tổng hợp phần tử chất lỏng theo vòng xoắn ốc 38 Hình 3.2 b) Biến tốc thủy lực: Khi cần biến đổi mômen quay hai trục dẫn bị dẫn người ta dùng biến tốc thủy lực * Sơ đồ kết cấu: Khác với khớp nối thủy lực, biến tốc thủy lực, bánh bơm lắp trục dẫn 1, bánh tua bin lắp trục bị dẫn cịn có phận dẫn hướng (thường gọi bánh phản ứng – stator) lắp cố định với biến tốc thủy lực Tất bánh có cánh dẫn đặt vỏ có chứa chất lỏng tạo thành buồng làm việc biến tốc thủy lực Hình 3.3: Sơ đồ kết cấu biến tốc thủy lực * Nguyên lý làm việc: tương tự khớp nối thủy lực, khác chỗ biến tốc thủy lực có bánh phản ứng để tạo khả biến đổi mômen quay trục dẫn Chất lỏng sau khỏi bơm với vận tốc lớn, vào bánh phản ứng Bánh phản ứng có tác dụng sau: - Thay đổi hướng dòng chảy cho phù hợp với lối vào máng dẫn bánh công tác đặt tiếp sau (tránh va đập) - Thay đổi trị số vận tốc dòng chảy cho phù hợp với yêu cầu lối vào bánh công tác đặt tiếp sau cách thay đổi diện tích mặt cắt máng dẫn cách thích hợp 39 Sở dĩ gọi bánh phản ứng chất lỏng qua bánh truyền cho mơmen quay, bánh cố định với vỏ có tác dụng lại cho chất lỏng mômen động lượng (gọi mômen phản ứng) Như vậy, dòng chất lỏng bơm tạo nên sau qua máng dẫn bánh phản ứng bánh tua bin, kéo theo tua bin quay với vận tốc góc mơmen thay đổi tùy theo trị số mômen cản tác dụng lên trục bánh tua bin 3.1.2 Các thơng số phương trình TĐTĐ a) Các thơng số Ngồi thông số chung máy thuỷ lực, truyền động thuỷ động cịn có số thơng số thường dùng sau: - Công suất làm việc trục dẫn (tức trục bánh bơm): NB = γ Q.H B η B η P (3-1) Trong đó: Q: lưu lượng chất lỏng chảy từ bánh bơm vào bánh tuabin; HB: cột áp bánh bơm tạo ra; ηB: hiệu suất bánh bơm; ηP: hiệu suất bánh phản ứng (chỉ có BTTL); γ: trọng lượng riêng chất lỏng làm việc - Công suất làm việc trục bị dẫn (tức trục bánh tuabin): N T = γ Q.H B ηT (3-2) Trong đó: ηT: hiệu suất bánh tuabin Biến đổi ta có: N T = η B η P ηT N B (3-3) Nếu gọi η = η B η P ηT hiệu suất tồn phần truyền động thuỷ động ta có: η= NT NB (3-4) Trong loại bánh công tác ta có η = ηH.ηC.ηQ - Tỷ số truyền i truyền động thuỷ động: tỷ số số vòng quay bánh tuabin (trục bị dẫn) với số vòng quay bánh bơm (trục dẫn) i= nT nB (3-5) - Hệ số biến tốc K (hệ số biến đổi mômen) biến tốc thuỷ lực tỷ số mômen quay tác dụng lên trục bánh tuabin với mômen tác dụng lên trục bánh bơm 40 K= Do N = M ω = M Tức: MT MB (3-6) M T NT nB η π n = = , nên K = M B N B nT i 30 η = K.i (3-7) b) Các phương trình truyền động thuỷ động Ứng dụng phương trình máy thuỷ lực cánh dẫn để nghiên cứu chuyển động chất lỏng truyền động thuỷ động, ta có phương trình sau: - Phương trình mơmen: Từ (2-9) ta viết: + Đối với bánh bơm: M B = ρ Q( c2u D2 − c1u D1 ) (3-8) + Đối với bánh tuabin M T = − ρ Q( c4u D4 − c3u D3 ) (3-9) Đối với bánh phản ứng: M P = − ρ Q ( c6u D6 − c5u D5 ) (3-10) Trong công thức trên: Q: lưu lượng chất lỏng làm việc TĐTĐ c1u, , c6u: hình chiếu vận tốc tuyệt đối phương vận tốc vòng mặt cắt tương ứng bánh dẫn D1, , D6: đường kính điểm mặt cắt tương ứng bánh dẫn Hình 3.4 Cộng đại số phương trình mơmen quay bánh ta có: M B + M T + M P = ρ Q( c2u D2 − c1u D1 − c4u D4 + c3u D3 + c6u D6 − c5u D5 ) 41 (3-11) Trong TĐTĐ, muốn có hiệu suất cao, bánh bố trí sát nên dịng chảy tuần hồn khép kín chúng Do đó, ta coi khe hở bánh TĐTĐ khơng có thay đổi mơmen động lượng, phương trình chuyển động chất lỏng có dạng: cu.D = const Vậy ta viết: c1u.D1 = c6u.D6; c2u.D2 = c3u.D3; c4u.D4 = c5u.D5 Thay vào (7-11) ta có phương trình mơmen chế độ làm việc TĐTĐ: MB + MT + MP = (3-12) nghĩa tổng mômen quay bánh TĐTĐ - Phương trình cơng suất cột áp Ở chế độ làm việc ổn định, bánh bơm TĐTĐ liên tục cung cấp cho dòng chất lỏng làm việc công suất NB Phần lớn công suất truyền cho trục bị dẫn qua bánh tua bin, gọi N T Phần cơng suất cịn lại NW = NB – NT dùng để khắc phục sức cản chuyển động chất lỏng buồng làm việc TĐTĐ Khi bánh phản ứng cố định, phương trình cân cơng suất là: NB = NT + NW (3-13) Nếu bỏ qua tổn thất lưu lượng rò rỉ qua khe hở bánh thay trị số công suất vào (3-13) được: γ.Q.HB = γ.Q.HT + γ.Q.hW Đơn giản phương trình ta phương trình cân cột áp: H B = H T + hW (3-14) hW = hB + hT +hP , tổng tổn thất thủy lực bánh bơm, tua bin, bánh phản ứng 3.2 Khớp nối thuỷ lực (KNTL) 3.2.1 Đặc điểm trình làm việc KNTL Khớp nối thủy lực truyền mômen quay động mà không biến đổi trị số mơmen Theo (3-12), khớp nối thủy lực ta có: MB = - MT (3-15) Khi có thay đổi tải trọng (mômen cản) trục trục bị dẫn số vịng quay bánh tua bin thay đổi theo, dẫn đến làm thay đổi vận tốc chuyển động chất lỏng buồng làm việc thay đổi mômen quay bánh công tác tua bin cho cân với trị số mômen cản phụ tải Vì khớp nối thủy lực loại truyền động tự động Do có tổn thất thủy lực nên i = nT < , tức nT < nB Hiệu số số vòng quay nB bánh bơm bánh tua bin khớp nối thủy lực chia cho số vòng quay bánh bơm gọi hệ số trượt khớp nối thủy lực, ký hiệu s: 42 s= nB − nT n =1− T =1− i nB nB (3-16) Hiệu suất khớp nối thủy lực là: η= NT M T nT = N B M B nB Theo (3-15) có M B = M T nên η= nT =i nB (3-17) Ta nhận thấy, s =  η = i tức nB = nT áp suất tác dụng lực li tâm lối bánh bơm lối vào bánh tua bin Khi đó, chất lỏng khơng có chuyển động tương đối từ bánh bơm sang bánh tua bin mà quay với vỏ khớp nối thủy lực vật rắn, lúc Q = mơmen quay khớp nối thủy lực M = Bởi khớp nối thủy lực truyền cơng suất mơmen nT< nB s > Ở chế độ làm việc bình thường, khớp nối thủy lực có hệ số trượt s = – 2% η = – s = 97 – 98% * Các tính chất chủ yếu khớp nối thủy lực: - Trục bị dẫn trục dẫn quay độc lập với nhau, trục dẫn quay trục bị dẫn dứng yên quay với với vận tốc góc vận tốc quay lớn trục bị dẫn phải nhỏ vận tốc trục dẫn – 3% - Khởi động tăng tốc êm - Các chi tiết chủ yếu (bánh công tác) không bị mài mịn bề mặt làm việc chúng không tiếp xúc với - Hạn chế dao động xoắn - Truyền động khơng ồn - Có hiệu suất cao chế độ làm việc tính tốn - Sử dụng, vận hành chắn - Có thể thực việc điều khiển từ xa tự động hóa việc điều khiển cách đơn giản Chính ưu điểm mà khớp nối thủy lực dùng để: + Điều chỉnh số vòng quay trục bị dẫn số vịng quay động khơng đổi + Lấy đà máy có mơmen khởi động lớn + Hợp công suất đảo chiều chuyển động 3.2.2 Phân loại kết cấu KNTL Vấn đề phân loại kết cấu cụ thể khớp nối thủy lực phức tạp có nhiều loại, kiểu khớp nối khác a) Phân loại khớp nối thủy lực 43 * Theo kết cấu: - Khớp nối thủy lực có vành - Khớp nối thủy lực khơng có vành - Khớp nối thủy lực có bánh cơng tác có vành Các loại có tác dụng làm cho dòng chất lỏng buồng làm việc hình thành tốt nhất, bị tổn thất lượng - Khớp nối thủy lực kép: gồm hai khớp nối ghep song song dùng cần giảm bớt kích thước đường kính thiếu chỗ bố trí, mặt khác tốt loại đơn khơng chịu tác dụng lực hướng trục, lực tác dụng lên khớp nối hai bên cân Ngoài theo kết cấu biên dạng cánh dẫn bánh công tác có loại cánh phẳng hướng kính loại cánh cong Loại cánh cong có kết cấu phức tạp truyền công suất lớn so với loại cánh phẳng hai khớp nối kích thước hiệu suất Hình 3.5 * Theo tính chất có điều chỉnh hay khơng khớp nối thủy lực chia thành loại có điều chỉnh loại khơng điều chỉnh - Loại không điều chỉnh: loại mà vận tốc quay trục dẫn không đổi (n B = const) số vịng quay trục bị dẫn (nT) phụ thuộc vào mômen tải trọng đặt trục bị dẫn Để khắc phục tăng đột ngột mơmen hệ số trượt s tăng ngồi việc dùng đĩa chắn 1, kết cấu khớp nối thủy lực cịn dùng buồng phụ (hình ) Tùy theo mômen cản trục bị dẫn, lượng chất lỏng chứa buồng làm việc tự động thay đổi nhờ có buồng phụ thơng với Khi hệ số trượt tăng lượng chất lỏng buồng làm việc giảm làm cho mômen truyền không tăng đột ngột - Khớp nối thủy lực có điều chỉnh: số vịng quay trục bị dẫn phụ thuộc vào mơmen tải trọng đặt trục bị dẫn mà cịn phụ thuộc vào vị trí cấu điều chỉnh Cơ cấu 44 dùng để thay đổi lượng chất lỏng làm việc khớp nối điều khiển tay tự động Hình 3.6 * Theo trị số cơng suất truyền: - Loại truyền có cơng suất nhỏ trung bình (tới 1000 KW) - Loại truyền công suất lớn (trên 1000 KW) b) Kết cấu khớp nối thủy lực Hình 3.7 trình bày kết cấu cụ thể khớp nối thủy lực có ống điều chỉnh cố định Trên trục dẫn I có lắp bánh bơm 1, bánh gắn liền với hai vỏ Ở ngồi vỏ có số lỗ 11 Vỏ ngồi có lắp phận lót kín Trên trục bị dẫn II, lắp bánh tua bin Bánh có lỗ 12 thân để dẫn chất lỏng vào buồng làm việc khớp nối thủy lực Ống điều chỉnh 10 lắp vỏ và lắp cố định với buồng 5; buồng thông với thùng chứa Bơm bánh làm việc đảo chiều để đẩy chất lỏng vào hệ thống hút Chất lỏng làm nguội phận làm mát Hình 45 Khi khớp nối thủy lực làm việc, bánh bơm quay vỏ Chất lỏng làm việc chảy tuần hoàn theo chiều mũi tên Do tác dụng chất lỏng làm việc, bánh tua bin quay, bánh có áp suất lớn Với áp suất đó, chất lỏng từ buồng làm việc chảy qua lỗ 11 vào buồng hai vỏ Khi chất lỏng chảy qua ống điều chỉnh đường ống, xảy trường hợp sau: 1) Lượng chất lỏng buồng làm việc không thay đổi Trong trường hợp này, bơm bánh không làm việc, chất lỏng chảy tuần hoàn từ buồng làm việc qua ống điều chỉnh 10 vào hệ thống đường ống làm nguội 2) Lượng chất lỏng buồng làm việc giảm, bơm quay theo chiều cho hút chất lỏng khỏi buồng để trở thùng chứa 3) Lượng chất lỏng buồng làm việc tăng Bơm quay theo chiều ngược với trường hợp trên, đẩy chất lỏng từ thùng chứa qua hệ thống đường ống vào buồng làm việc Khi lượng chất lỏng buồng làm việc đủ mức cần thiết bơm dùng để bổ sung lượng chất lỏng rò rỉ ống điều chỉnh 10 bảo đảm đưa chất lỏng để làm nguội 3.2.3 Tính tốn số thơng số KNTL a) Tính mơmen: Xuất phát từ luật tương tự máy thủy lực cánh dẫn, qua công thức (2-28), ta tính mơmen quay truyền khớp nối thủy lực: MB = - MT = λMtl.γ.D5.nB2 (3-18) λMtl hệ số mơmen thủy lực, phụ thuộc vào kích thước tương đối khớp nối thủy lực tỷ số truyền i (hoặc hệ số trượt s) Đường kính D cần chọn để truyền mômen quay M theo số vịng quay n tương ứng với cơng suất cực đại động hệ số trượt s vào khoảng 2–3% b) Tính cơng suất: Từ (2-26) ta xác định cơng suất lớn truyền qua khớp nối thủy lực: Nmax = λNtl.γ.D5.nB3 (3-19) λNtl hệ số công suất thủy lực khớp nối thủy lực Vì N max = M B ω B = π λMtl γ D nB 30 nên ta suy ra: λNtl = π λMtl 30 (3-20) Nếu N tính KW, M tính N.m λNtl = π λMtl 30.000 (3-21) Từ (3-19): 46  N max   D=  λ γ n  B   Ntl Trong thơng số hình học ảnh hưởng đến làm việc đến làm việc khớp nối thủy lực số cánh Z quan trọng Số cánh Z B bơm xác định theo công thức thực nghiệm sau: - Đối với bánh cơng tác có vành trong: ZB = 1,39D0,52 ZB = 8,65D0,279 - Đối với bánh cơng tác khơng có vành trong: Đối với bánh tua bin số cánh dẫn Z T thường lớn nhỏ số cánh bánh bơm vài cánh để đề phịng tượng va đập có chu kỳ gây rung động hệ thống 3.3 Biến tốc thuỷ lực(BTTL) 3.3.1 Đặc điểm trình làm việc BTTL Khác với khớp nối thủy lực, biến tốc thủy lực truyền trục đường tâm có kèm theo biến đổi mơmen quay Thơng thường biến tốc thủy lực dùng để tăng mômen quay trục bị dẫn Ngồi có tính chất tự động thay đổi vô cấp vận tốc trục bị dẫn khớp nối thủy lực * Tính chất biến tốc thủy lực 1) Tính chất biến đổi mômen quay: Nghiên cứu biến tốc thủy lực đơn giản gồm ba bánh: bánh bơm, bánh tua bin bánh phản ứng Có hai cách bố trí bánh buồn làm việc biến tốc thủy lực: bánh phản ứng đặt sau bánh bơm trước bánh tua bin theo chiều chuyển động chất lỏng ngược lại - Trường hợp bánh phản ứng đặt sau bánh bơm đặt trước bánh tua bin: Chất lỏng vào bánh bơm với vận tốc tương đối w’ Khi bánh bơm quay, chất lỏng tác dụng lực li tâm bánh bơm với vận tốc tăng dần Dòng chất lỏng với vận tốc cB vào bánh phản ứng Do bánh giữ cố định nên dịng chất lỏng khơng trao đổi lượng với nó, nghĩa bánh có biến đổi áp thành động Khi qua bánh phản ứng, nhờ có thu hẹp mặt cắt máng dẫn nên vận tốc dòng chất lỏng tăng lên Mặt khác, nhờ có biên dạng cánh dẫn thích hợp mà hướng chuyển động dòng chất lỏng thay đổi phù hợp với lối vào bánh tua bin Dòng chất lỏng sau khỏi bánh phản ứng với vận tốc cP vào bánh tua bin với góc α2 Do cP > cB α2 > α1 nên mômen quay trục bánh tua bin lớn so với trục bánh bơm Nếu khơng có bánh phản ứng dịng chất lỏng vào bánh tua bin với góc α1 (