Chương 4: MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH docx

Khi pittông sang phải, dưới áp lực P của pittông, chất lỏng trong xi lanh bị nén với áp suất p qua van một chiều 5 vào ống đẩy 3.. Trên hình 4.1b là sơ đồ làm việc của một động cơ thể tí

Chương 4 MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH

4.1 Khái niệm cơ bản về máy thuỷ lực thể tích (MTLTT)

4.1.1 Nguyên lý làm việc của MTLTT

MTLTT bao gồm các loại bơm và động cơ thủy lực thể tích Về nguyên tắc bất kỳMTLTT nào cũng làm việc thuận nghịch, tức là làm được hai nhiệm vụ bơm và động cơ

Trên hình 4.1a là sơ đồ làm việc của của một bơm thể tích kiểu pittông có chuyển độngtịnh tiến Khi pittông 1 di chuyển sang trái, thể tích buồng làm việc a tăng lên, áp suất giảm đinên chất lỏng từ ống hút 6 qua van một chiều 4 vào xi lanh 2 Khi pittông sang phải, dưới áp lực

P của pittông, chất lỏng trong xi lanh bị nén với áp suất p qua van một chiều 5 vào ống đẩy 3.

Phần thể tích buồng làm việc thay đổi để hút và đẩy chất lỏng gọi là buồng làm việc Nếu buồng

làm việc hoàn toàn kín và bơm có đủ công suất thì áp suất làm việc của bơm p chỉ phụ thuộc vào

áp suất chất lỏng trong ống đẩy

Trên hình 4.1b là sơ đồ làm việc của một động cơ thể tích có chuyển động quay, chấtlỏng có áp suất cao vào động cơ tạo nên áp lực đẩy các cánh gạt 2 của roto 1 làm cho trục củađộng cơ quay

Hình 4.1MTLTT gồm nhiều loại bơm và động cơ thủy lực nhưng phần lớn là bơm Theo côngdụng, MTLTT có thể chia thành hai loại:

- Bơm nước và các loại chất lỏng khác

- Bơm và động cơ dầu dùng trong các hệ thống truyền động

Theo kết cấu và dạng chuyển động có thể chia MTLTT thành ba loại chủ yếu sau:

- Loại pittông (có chuyển động tịnh tiến)

- Loại pittông rôto (vừa có chuyển động tịnh tiến, vừa có chuyển động quay – pittông quay vàtịnh tiến)

- Loại rôto (có chuyển động quay)

4.1.2 Các thông số cơ bản của MTLTT

Theo nguyên lý áp suất của chất lỏng trong MTLTT chỉ phụ thuộc vào phụ tải ngoài Nếubảo đảm buồng làm việc hoàn toàn kín thì lưu lượng của máy thủy lực thể tích không phụ thuộcvào áp suất, còn áp suất có thể tăng lên bao nhiêu cũng được tùy thuộc vào áp suất phụ tải và

công suất của bơm Khi đó lưu lượng của MTLTT chỉ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động củapittông

Nhưng trong thực tế, buồng làm việc của MTLTT không thể bảo đảm tuyệt đối kín đượcvới mọi trị số áp suất Khi tăng tải trọng làm việc đến mức nào đó sẽ xuất hiện sự rò rỉ chất lỏng,nếu tiếp tục tăng thì đến một trị số áp suất giới hạn nào đóthì lưu lượng của máy sẽ hoàn toànmất mát do rò rỉ Ngoài ra áp suất làm việc còn bị giới hạn bởi sức bền của máy

Do đó để đảm bảo sự làm việc bình thường của MTLTT, phải hạn chế áp suất làm việctối đa bằng cách dùng van an toàn Khi tải trọng ngoài tăng đến mức độ nguy hiểm thì van antoàn sẽ tự động thải bớt chất lỏng để giảm áp suất làm việc của máy

a) Lưu lượng: Lưu lượng lý thuyết Ql (lưu lượng chưa kể tới sự rò rỉ) :

Lưu lượng lý thuyết Ql lớn hơn lưu lượng thực tế Q của máy vì thực tế bao giừo cũng có

sự rò rỉ Q1 là lưu lượng tính trong cả quá trình trong một đơn vị thời gian nên còn gọi là lưulượng trung bình lý thuyết Khác với máy thủy lực cánh dẫn, lưu lượng tức thời của MTLTTthay đổi theo thời gian, kể cả khi máy làm việc ổn định

b) Áp suất: cột áp của MTLTT được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi áp suất tĩnh của chất lỏngkhi chuyển động qua máy, do đó thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy

Cột áp H và áp suất p liên hệ với nhau bằng công thức cơ bản thủy tĩnh:

: diện tích làm việc của mặt pittông

Đối với MTLTT có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nênmômen quay M:

l l M

q Q

Q M

B

M B

c) Hiệu suất và công suất

Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực được xác định theo công thức chung:

 = Q.C.HĐối với MTL tổn thất thủy lực tương đối nhỏ (vì động năng của các phần tử chất lỏngnhỏ) nên thường cho H  1, do đó:

Công suất làm việc của động cơ thường được xác định bằng các thông số cơ khí:

- Đối với động cơ có chuyển động tịnh tiến:

P: áp lực trên pittôngv: vận tốc của pittông

- Đối với động cơ có chuyển động quay:

M: mômen quay trên trục : vận tốc góc

4.2 Bơm Pittông

4.2.1 Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm pittông

Bơm pittông có thể phân loại theo tính chất tác động, cấu tạo của quả nén, vị trí xi lanh

và phương pháp nối tiếp quả nén với động cơ

Theo tính chất tác động người ta phân bơm pittông thành các loại: bơm tác động đơn,bơm tác động kép, bơm tác động ba lần, vv… Sau đây ta nghiên cứu sơ đồ cấu tạo và nguyên tắclàm việc của một vài loại

a) Bơm pittông tác động đơn (hình 4-2 )

24

S = 2r

M

6

Hình 4-2Bơm pittông tác động đơn gồm các bộ phận chính sau đây: xi lanh 1, quả nén 2, pit tông 3,ngăn công tác 4, ống hút 5, ống đẩy 6, khoá vào KV (khoá hút) và khoá ra Kr (khoá phun).

Để kiểm tra sự hoạt động của bơm người ta lắp một áp kế trên ống đẩy và một chânkhông kế trên ống hút

Ngoài ra máy bơm thường có các hộp không khí lắp ở ống hút và ống đẩy để đảm bảoviệc cấp chất lỏng được đều (hình 4-3)

Nguyên lý làm việc: Khi quả nén chuyển động từ trái sang phải thì trong xi lanh tạothành chân không, nhờ đó chất lỏng được dâng lên trong ống hút để chiếm lấy khoảng trống doquả nén tạo nên

Ngược lại, khi quả nén chuyển động từ phải sang

trái thì áp lực trong xi lanh tăng lên, khoá hút đóng kín,

khoá phun mở ra, chất lỏng từ ngăn công tác được đẩy vào

ống đẩy Như vậy qua mỗi vòng quay của trục động cơ

(một chu kỳ di chuyển của quả nén), trong bơm sẽ thực

hiện một lần hút và một lần đẩy chất lỏng

Nhược điểm của loại bơm này là cấp chất lỏng

không đều và có nhiều chi tiết dễ bị bào mòn như: các van,

khoá, xi lanh

Tác động của các hộp không khí lắp trên bơm:

Trước khi cho máy bơm hoạt động, người ta đổ chất lỏng

vào bơm làm đầy ống hút và một phần của hộp không khí

Sau đó đống khoá ngăn cách giữa hộp không khí với khí

K

Hình 4-3

Khi bơm làm việc, quá trình hút chất lỏng được thực hiện ngay ở hộp không khí lắp trướcbơm và ở đó tạo nên chân không; đồng thời chất lỏng được hút qua van một chiều theo ống hútđến hộp không khí Do tiết diện của hộp không khí tương đối lớn so với tiết diện ống hút nên độdao động mực chất lỏng trong hộp không khí có thể xem như không đáng kể và chuyển động củachất lỏng trong ống là ổn định Kết quả làm sức cản thuỷ lực giảm xuống, độ cao hút tăng lên.

Hộp không khí lắp trước ống đẩy (sau bơm) gọi là hộp không khí nén, có tác dụng điềutiết dòng chất lỏng chảy vào ống này được liên tục Khi trong bơm xảy ra quá trình ép chất lỏng,

áp suất trong ngăn công tác tăng đến độ khóa vào đóng, khoá phun mở thì một phần chất lỏngđược ép trực tiếp vào ống đẩy, phần khác vào hộp không khí Kết thúc quá trình này, khoá phunđóng, dưới áp lực của không khí nén phần chất lỏng còn lại trong hộp không khí được ép vàoống phun Như vậy nhờ lắp thêm hộp không khí nén mà dòng chất lỏng trong ống đẩy của bơmđược thường xuyên liên tục và đều đặn hơn

b) Bơm pittông tác động kép

Bơm pit tông tác động kép (hình 4-4), hay còn gọi là bơm pittông tác động hai chiều

Hình 4-4Bơm bao gồm: hai ngăn công tác A và B, hai khoá hút và hai khoá phun Trong hoạtđộng của bơm, qua mỗi vòng quay của trục động cơ có hai lần hút và hai lần đẩy chất lỏng, do

đó bơm làm việc đêu đặn hơn, năng suất cao hơn so với bơm tác động đơn

4.2.2 Năng suất của bơm pittông

Ta hãy phân tích hoạt động của bơm pittông và tìm công thức tính năng suất của nó

Khi kết thúc quá trình hút thì lượng chất lỏng chứa trong ngăn công tác của bơm pittôngtác động đơn là:

Trong đó: - Diện tích tiết diện của quả nén (m2)

Kr Kr

Kv

A

KvB

s – Bước di chuyển của quả nén (m).

Lượng chất lỏng này sẽ được chuyển vào ống đẩy của bơm ngay sau khi kết thúc quátrình ép chất lỏng

Như vậy qua mỗi chu kỳ di chuyển của quả nén thì bơm vận chuyển được một thể tích

chất lỏng là W (xác định từ biểu thức 4-16)

Nếu trong một phút trục động cơ quay được n vòng hay là n lần quả nén di chuyển và trở

lại vị trí ban đầu của nó, thì thể tích chất lỏng chảy vào ống phun là:

Q lt =  s n (m3/ph)Hoặc

v v

lt T

n s Q

60

.

v - hệ số đầy (hay hệ số thể tích), thường chọn v = (0,85  0,99).

Đối với bơm pittông tác động kép, qua mỗi vòng quay của trục động cơ (tức một bướckép di chuyển của quả nén) sẽ có một thể tích chất lỏng từ ngăn A chảy vào ống phun là:

W 1 =  s

Và từ ngăn B là: W 2 = ( -  p ) s

Trong đó: p - diện tích tiết diện của pittông

Như vậy nếu động cơ quay n (v/ph) thì năng suất của bơm tác động kép là:

v T

n W W

2(2



Nhận xét: Qua phần phân tích tính toán trên ta thấy năng suất của bơm pittông có thể

điều chỉnh được bằng các biện pháp sau:

- Thay đổi số vòng quay của trục động cơ, hoặc thay đổi số chu kỳ làm việc của bơmtrong một đơn vị thời gian

- Điều chỉnh bằng khoá (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng đẩy về buồng hút củabơm

- Thay đổi diện tích làm việc của pit tông bằng các cơ cấu đặc biệt

- Thay đổi chiều dài bước di chuyển của quả nén (s) bằng cách thay đổi chiều dài làm

việc của tay biên hoặc thanh truyền

4.2.3 Cột áp quán tính, áp suất của bơm pittông

a) Cột áp quán tính

Vận tốc chuyển động của chất lỏng trong bơm phụ thuộc vào vận tốc của pittông v = f(t),

có hệ số không đều về lưu lượng, ảnh hưởng không tốt đến bơm, đường ống và các bộ phậnkhác Như vậy dòng chảy trong bơm là dòng không ổn định

Xét một dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động trong bơm từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt(2-2) bất kỳ nào đó Vì dòng không ổn định nên biến thiên năng lượng đơn vị toàn phần củadòng chảy ngoài để khắc phục lực cản còn để khắc phục lực quán tính xuất hiện trên đoạn 1-2

Nếu mg1 là khối lượng của một đơn vị trọng lượng thì lực quán tính tác dụng lên nólà: g 1 .v t do đó phương trình chuyển động của dòng nguyên tố của chất lỏng chuyển độngtrong bơm pittông:

0

1 2

v p Z s

là biến thiên của năng lượng do sức cản dọc theo dòng chảy;

v: vận tốc trung bình của dòng chảy;

Tích phân (4-21) ta được phương trình Becnuli cho toàn dòng không ổn định trong bơmpittông:

const ds

t

v g

h g

v p

1

dolực quán tính xuất hiện trong dòng chảy nên gọi là cột áp quán tính, ký hiệu hqt:



t

v g

b) Áp suất của bơm pittông

* Áp suất của bơm pittông trong quá trình hút: có ảnh hưởng lớn đến khả năng hút và điều kiệnlàm việc của bơm

Xét một bơm pittông tác dụng đơn làm việc trong hệ thống Viết phương trình Becnulicho mặt cắt (a-a) và (b-b), lấy mặt chuẩn tại (a-a):

qth h x x h

g

v p Z



px1: áp suất buồng làm việc trong quá trình hút

Zh: chiều cao hút địa hình

vx1: vận tốc chất lỏng trong buồng làm việc (bằng vận tốc pittông)

hh: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống hút

hqth: cột áp quán tính trên ống hút Theo (4-23) ta có:

L x

t

v g

h

0 11

Vì vận tốc vx1 chỉ phụ thuộc vào thời gian nên

d dt

dv t

x L

x: khoảng cách từ mặt làm việc của pittông đến vị trí giới hạn chuyển động của pittông

Trong trường hợp tổng quát (ống hút có nhiều đoạn nối với các đường kính khác nhau) thì

và Lh được gọi là chiều dài tương đương của ống hút

Thay vào (4-24) và biến đổi, ta được áp suất ở trong buồng làm việc của bơm trong quá trình hútđối với trường hợp tổng quát là:

x L h g

v Z p

h

x h a

2

2 1 1



Nhận xét: áp suất trong quá trình hút của bơm px1 có trị số nhỏ nhất khi pittông mới bắt đầuchuyển động (x=0) và lớn nhất ở cuối hành trình (x = S), do đó điều kiện để bơm làm việc bìnhthường, không có hiện tượng xâm thực trong quá trình hút là:

h g

v Z

qt h x h

Đối với bơm pittông được truyền dẫn bằng cơ cấu thanh truyền tay quay, khi x = 0 có:

R g

L h g

v Z

h x h

* Áp suất của bơm pittông trong quá trình đẩy

Tương tự như quá trình hút, ta viết phương trình Becnuli cho dòng chảy không ổn địnhgiữa hai mặt cắt (b-b) và (c-c), lấy mặt cắt (b-b) làm chuẩn:

qtđ đ c c đ x

g

v p Z g

v p

2 2

2 2



px2, vx2: áp suất và vận tốc chất lỏng buồng làm việc tại thời điểm xét trong quá trình đẩy

Zđ: chiều cao đẩy địa hình

hđ: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống đẩy

hqtđ: cột áp quán tính trên ống đẩy, xác định tương tự theo các biểu thức viết cho quá trình hút,được:

dt

dv g

x S L

x S L h F

f g

v Z p

đ c

đ c

2

2 2

2 2

min

c đ c

F

f g

v Z p p



Khi hqt(max) lớn thì trong buồng công tác của bơm có thể xuất hiện chân không và xảy ra hiệntượng xâm thực Do đó điều kiện đảm bảo bơm pittông làm việc bình thường, không xảy ra hiệntượng xâm thực trong quá trình đẩy là:

S L

S L h F

f g

v Z

đ

c đ

2 2

.)(

1

4.3 Động cơ thuỷ lực pittông (xi lanh thuỷ lực)

4.3.1 Khái niệm chung

Động cơ thủy lực pittông thường gọi là xi lanh thủy lực, cấu tạo chủ yếu gồm pittông đặttrong xi lanh và các ống dẫn chất lỏng làm việc vào, ra khỏi xi lanh Nếu đưa vào xi lanh mộtdòng chất lỏng có áp thì dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, pittông sẽ chuyển động tương đốiđối với xi lanh Qua các cơ cấu biến đổi chuyển động trung gian, chuyển động tịnh tiến củapittông hoặc xi lanh có thể biến thành các dạng chuyển động khác

Xi lanh thủy lực được dùng nhiều trong cơ cấu chấp hành của truyền động thủy lực thểtích

Xi lanh thủy lực được chia làm hai loại: xi lanh lực và xi lanh mômen Trong xi lanh lực,chuyển động tương đối của pittông với xi lanh là chuyển động tịnh tiến thẳng Còn trong xi lanhmômen thì chuyển động tương đối giữa pittông với xi lanh là chuyển động quay

4.3.2 Xi lanh lực

* Phân loại:

+ Theo số chiều tác dụng chia xi lanh lực thành các loại sau:

- Xi lanh lực một chiều: chất lỏng làm việc chỉ tác dụng ở một phía của pittông, tạo nên chuyểnđộng một chiều

- Xi lanh lực hai chiều: chất lỏng làm việc tác dụng lên cả hai phía của pittông, tạo nên chuyểnđộng hai chiều

+ Theo kết cấu xi lanh được chia thành:

- Xi lanh có cần một phía: cần pittông bố trí về một phía của xi lanh

- Xi lanh có cần hai phía: cần pittông bố trí về hai phía của xi lanh

* Tính toán xi lanh lực

Áp suất p của chất lỏng trong buồng làm việc của xi lanh tạo nên áp lực P trên cầnpittông Nếu không kể tới lực ma sát ta có:

: diện tích làm việc của pittông

Thể tích làm việc của xi lanh lực:

S p

P S

Vận tốc chuyển động của pittông v phụ thuộc vào lưu lượng Q và diện tích làm việc củapittông (nếu không kể rò rỉ):



Q

Nếu xét tới ảnh hưởng của tổn thất ta cần phải đưa vào các công thức tính toán hiệu suất

cơ khí C khi tính lực và hiệu suất lưu lượng Q khi tính lưu lượng hoặc vận tốc, ta có:

C = 0,85 – 0,97

Q

v Q

- Muốn có hành trình làm việc của pittông (hoặc xi lanh) lớn, dùng xi lanh lồng

- Muốn có nhiều vận tốc và lực đẩy khác nhau, dùng xi lanh lực có pittông bậc

- Xi lanh mômen hai hoặc nhiều cánh gạt

Xi lanh mômen nhiều cánh gạt khi cần có mômen làm việc lớn, tuy nhiên khi đó gócquay của xi lanh sẽ phải giảm đi

Mômen quay của xi lanh một cánh gạt có thể tìm được như sau:

) (

4

2 p D d b D d p b D2 d2P

: khoảng cách từ điểm đặt áp lực trên cánh gạt đến tâm trục

D: đường kính ngoài cánh gạt (bằng đường kính xi lanh)

Q F

Q v

2

4

.p b D2 d2

Z

) (

Q





4.4 Bơm và động cơ thuỷ lực pittông rôto

4.4.1 Khái niệm chung

* Đặc điểm:

Máy thủy lực kiểu pittông rôto thuộc loại MTLTT được bắt đầu dùng nhiều từ những nămđầu của thế kỷ 20, có các đặc điểm là:

- Tạo được áp suất cao với lưu lượng không lớn lắm

- Có khả năng thay đổi lưu lượng một cách dễ dàng trong khi vẫn giữ nguyên áp suất và sốvòng quay làm việc

- Hiệu suất tương đối cao

Bơm và động cơ pittông rôto có kết cấu hoàn toàn như nhau, bơm pittông rôto có thể làmviệc như một động cơ nếu dẫn vào nó một dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn Động cơ pittông

Hình 4-6