thiết kế hệ thống tđtl ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành chịu tải trọng 1000kn

Khái niệm về truyền động thủy lực Truyền động thủy lực truyền động thủy khí là tổ hợp các cơ cấu thủy lực và máy thủy lực, dùng môi trường chất lỏng làm không gian để truyền năng lượng t

MỤC LỤC

1 Mục đích, ý nghĩa của đề tài 4

2 Giới thiệu chung về truyền động thủy lực 4

2.1 Khái niệm về truyền động thủy lực 4

2.2 Ưu - nhược điểm của truyền động thủy lực 4

2.3 Phân loại hệ thống truyền động thủy lực 5

2.4 Yêu cầu của chất lỏng làm việc trong hệ thống truyền động thủy lực 5

3 Truyền động thủy lực thủy tĩnh (truyền động thủy lực thể tích) 6

3.1 Giới thiệu chung 6

3.2 Nguyên lý hoạt động của truyền động thủy lực thể tích 7

3.3 Các loại sơ đồ của hệ thống truyền động thủy lực thể tích 11

4 Máy thủy lực thể tích 14

4.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng của các máy thủy lực thể tích 14

4.2 Các thông số cơ bản của máy thủy lực thể tích 14

4.3 Bơm và động cơ thủy lực piston 16

4.4 Máy thủy lực rôto 26

4.4.1 Giới thiệu chung 26

4.5 Bơm và động cơ thủy lực piston rôto 42

5 Các phần thủy lực cơ bản trong hệ thống truyền động thủy lực thể tích 48

5.1 Cơ cấu phân phối .48

5.2 Cơ cấu tiết lưu 53

5.3 Các loại van 55

5.4 Các bộ phận khác 62

6 Điều khiển và ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành 71

6.1 Điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực 71

6.2 Ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành 78

7 Tính toán hệ thống truyền động thủy lực ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành chịu tải trọng biến thiên tới 1000kN 86

7.1 Lựa chọn sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực 86

7.2 Tính chọn xylanh thủy lực 87

7.3 Tính chọn bơm dầu 90

7.4 Động cơ dẫn động bơm dầu 94

7.5 Tính toán ống dẫn dầu 95

7.6 Tính toán van an toàn cho hệ thống 96

7.7 Tính toán bộ điều tốc 99

7.8 Chọn thể tích thùng chứa 101

8 Xây dựng mô hình thực nghiệm 101

8.1 Mục đích của mô hình thực nghiệm 101

8.2 Yêu cầu của mô hình 101

8.3 Phương án bố trí mô hình 102

8.4 Tính toán kiểm nghiệm các thông số của mô hình 102

.113

9 Kết quả và hướng phát triển của đề tài 113 [12] http://www.hydraulics.vn/forum/forumdisplay.php?f=30 tháng 5 năm 2010.118

LỜI NÓI ĐẦUSau 5 năm học tập tại trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng, sinh viên chúng

em đã hoàn thành chương trình đào tạo kỹ sư chuyên ngành Cơ Khí Động Lực Để kết thúc chương trình đào tạo và coi như một lần tổng duyệt giúp sinh viên vận dụng kiến thức đã học tại nhà trường để áp dụng giải quyết cho một nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể, vận dụng các vấn đề về lý thuyết cũng như thực tế để làm quen với công việc mà sau này để bước vào đời sau khi rời ghế nhà trường Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ Khí Giao Thông và các thầy cô trong bộ môn Thủy

Khí Và Máy Thủy Khí, chúng em gồm hai sinh viên Hoàng Thế An và Nguyễn Văn Linh cùng nhau thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực” đây là đề tài mang

tính lý thuyết và thực tế cao, sinh viên được nghiên cứu lý thuyết về truyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực, các phương án nâng cao độ ổn định trong điều khiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi, sau đó sinh viên được vận dụng những kiến thức về truyền động thủy lực cũng như về cơ khí nói chung để chế tạo mô hình thực nghiệm minh họa cho những cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu tìm hiểu

Khi thực hiện đồ án này, bản thân chúng em cũng đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu một cách nghiêm túc và mong muốn là đồ án đạt kết quả tốt nhất Tuy nhiên vì bản thân còn ít kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót Một lần nữa Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tụy truyền đạt các kiến thức quý báu cho chúng Em Đặc biệt, chúng em xin gởi lời biết ơn

đến thầy Lê Minh Đức, đã quan tâm giúp đỡ trong suốt quá trình làm việc, chúng

em xin cảm ơn tất cả các thầy trong bộ môn thủy khí và máy thủy khí đã đóng góp ý kiến để tạo điều kiện thuận lợi cho bản thân chúng em hoàn thành đề tài

Đà Nẵng, ngày 1 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện:

Hoàng Thế An Nguyễn Văn Linh

1 Mục đích, ý nghĩa của đề tài

Với những ưu điểm cơ bản, truyền động thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Ở nước ta hiện nay trong nhiều máy công cụ, máy nông nghiệp, máy vận chuyển, máy xây dựng, khai thác mỏ, địa chất, vận tải,.v.v đã có nhiều bộ phận dùng đến truyền động thủy lực truyền động thủy lực có nhiều ưu điểm, dễ dàng điều khiển tự động hóa vận tốc cơ cấu chấp hành, quá trình điều khiển yêu cầu độ chính xác cao như trong các máy công cụ, các cơ cấu cấp phôi, các thiết bị nâng hạ chi tiết, những cơ cấu chịu tải trọng thay đổi, chất lượng sản phẩm ảnh hưởng trực tiếp bởi tính chính xác về điều chỉnh và ổn định vận tốc cơ cấu chấp hành

Đây là đề tài mang tính lý thuyết và thực tế cao, sinh viên được nghiên cứu lý thuyết về truyền động thủy lực, tìm hiểu quá trình điều khiển vận tốc cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền động thủy lực, tìm hiểu các phương án nâng cao độ ổn định trong điều khiển thủy lực khi tải trọng tác dụng lên cơ cấu chấp hành thay đổi, sau đó sinh viên được vận dụng những kiến thức về truyền động thủy lực cũng như

về cơ khí nói chung để chế tạo mô hình thực nghiệm minh họa cho những cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu tìm hiểu

2 Giới thiệu chung về truyền động thủy lực

2.1 Khái niệm về truyền động thủy lực

Truyền động thủy lực (truyền động thủy khí) là tổ hợp các cơ cấu thủy lực và máy thủy lực, dùng môi trường chất lỏng làm không gian để truyền năng lượng từ

bộ phận dẫn động đến bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, mômen và biến đổi dạng theo quy luật chuyển động

2.2 Ưu - nhược điểm của truyền động thủy lực

Truyền động thủy lực có ưu điểm chung là:

- Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động trong điều chỉnh vận tốc chuyển động của bộ phận làm việc, thực hiện ngay khi máy đang làm việc

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc với nhau, các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ

- Đảm bảo cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng ngoài

- Do chất lỏng làm việc trong truyền động thủy lực chủ yếu là dầu nên có điều kiện bôi trơn rất tốt các chi tiết

- Cho phép đảo chiều chuyển động của bộ phận làm việc dễ dàng.

- Có thể phòng sự cố khi máy quá tải

- Có thể thực hiện việc truyền động xa dễ dàng

- Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ, được dùng nhiều trong hệ thống tự động

- Truyền động công suất làm việc lớn

Tuy nhiên truyền động thủy lực cũng có những nhược điểm hạn chế phạm vi

- Yêu cầu chất lỏng làm việc rất phức tạp: độ nhớt phải thích hợp (để tránh rò

rỉ nhiều và tổn thất năng lượng) và ít thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi; hệ số chịu nén nhỏ; ổn dịnh và bền vững về mặt tính chất hóa học; khó bị ôxy hóa, khó cháy; ít hòa tan khí và hơi nước;.v.v

2.3 Phân loại hệ thống truyền động thủy lực

Dựa vào nguyên lý làm việc, truyền động thủy lực được chia thành:

- Truyền động thủy lực thủy động: truyền năng lượng chủ yếu dựa vào vận tốc của dòng chất lỏng

- Truyền động thủy lực thủy tĩnh (truyền động thể tích): truyền năng lượng chủ yếu dựa vào áp năng của dòng chất lỏng

2.4 Yêu cầu của chất lỏng làm việc trong hệ thống truyền động thủy lực

Chất lỏng làm việc trong hệ thống truyền động thủy lực có nhiều loại khác nhau: nước lã, dầu khoáng, dầu tổng hợp, các hỗn hợp cồn, glixêrin và các hóa chất khác,.v.v

Về nguyên lý thì các máy thủy lực đều có thể làm việc được với mọi chất lỏng bởi vì các loại chất lỏng đều có thể truyền năng lượng trong phạm vi áp suất lơn Tuy nhiên không phải chất lỏng nào cũng phù hợp với điều kiện làm việc của các máy thủy lực

Chất lỏng làm việc trong các truyền động thủy lực cần phải hoàn thành chức năng cơ bản là môi trường trung gian để truyền động, đồng thời cũng làm chất bôi

trơn các bộ phận làm việc Vì vậy việc chọn chất lỏng làm việc trong các truyền động thủy lực nhiều khi đòi hỏi phải giải quyết hợp lý các yêu cầu mâu thuẫn nhau:

để giảm bớt sự rò rỉ qua các bộ phận làm kín, cần chọn chất lỏng có độ nhớt lớn, nhưng để giảm bớt ma sát của chất lỏng và tổn thất thủy lực lại cần chọn chất lỏng

có độ nhớt nhỏ,.v.v

Tính chất của chất lỏng làm việc có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả, khả năng làm việc và tuổi thọ của các bộ phận trong hệ thống truyền động thủy lực Vì thế khi chọn chất lỏng làm việc cần phải chú ý nhiều mặt để đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật cơ bản Chất lỏng làm việc trong hệ thống truyền động thủy lực phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Có tính chống rỉ và ít bị phân hủy trong quá trình làm việc

- Tính chịu nhiệt tốt và độ nhớt tương đối nhỏ để tăng độ nhạy và độ chính xác các bộ phận điều khiển

- Tính đồng nhất và tinh khiết

- Không ăn mòn, không làm biến dạng các đệm lót kín

- Tính ổn định môdun đàn hồi và khối lượng riêng, không được bốc hơi và tiêu hao nhiều trong điều kiện làm việc

- Có khả năng tạo màng dầu bền vững cho bề mặt kim loại

- Hàm lượng không khí ít Áp suất bay hơi bão hòa thấp, nhiệt độ sôi cao

- Có tính dẫn nhiệt tốt, hệ số dãn nở nhiệt thấp

- Không hút ẩm và không hòa tan trong nước, dễ dàng tách nước khi bị lẫn vào

- Không có mùi, không độc hại, không dễ cháy, dễ sản xuất, giá thành rẻ

3 Truyền động thủy lực thủy tĩnh (truyền động thủy lực thể tích)

3.1 Giới thiệu chung

Như chúng ta đã biết truyền động thủy lực thể tích chủ yếu dựa vào tính chất không nén được của chất lỏng để truyền áp năng, nhờ đó có thể truyền động được

xa mà ít tổn thất năng lượng Để tạo được áp năng lớn, nâng cao công suất truyền, trong truyền động thủy lực thể tích người ta sử dụng các máy thủy lực thể tích

Hệ thống truyền động thủy lực thể tích gồm có ba phần:

- Nguồn cung cấp năng lượng (bơm)

- Cơ cấu trung gian (biến đổi và điều chỉnh).

*) Nguyên lý biến đổi năng lượng chung:

Ban đầu, cơ năng của bộ phận cung cấp năng lượng được biến thành áp năng của chất lỏng Ở bộ phận chấp hành, áp năng của chất lỏng được biến thành cơ năng của động cơ thủy lực làm chuyển động bộ phận chấp hành Cơ cấu trung gian dùng

để điều chỉnh và điều khiển năng lượng dòng chất lỏng phù hợp với yêu cầu của động cơ thủy lực

*) Phân loại truyền động thủy lực thể tích:

Dựa vào dạng chuyển động của cơ cấu chấp hành có thể chia truyền động thủy lực thể tích thành:

- Loại có chuyển động tịnh tiến

- Loại có chuyển động quay

- Loại có chuyển động tùy động

3.2 Nguyên lý hoạt động của truyền động thủy lực thể tích

3.2.1 Truyền động thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến

*) Sơ đồ và nguyên lý hoạt động:

Nhờ dẫn động cơ khí, piston của bơm 1 chuyển động tịnh tiến lên xuống Khi piston chuyển động lên, chất lỏng từ thùng chứa được hút qua van 3 vào xilanh của bơm Khi piston di chuyển xuống, van 3 bị đóng lại, chất lỏng trong xilanh bị nén

và đẩy qua van 2 đến cơ cấu phân phối sau đó đi vào khoang bên phải hoặc bên trái của xilanh 6 (phụ thuộc vào vị trí của cơ cấu phân phối) Dưới áp lực cao của chất lỏng trong khoang trái của xilanh lực (như hình vẽ), piston bị đẩy qua phải Chất lỏng trong khoang bên phải bị đẩy về lại thùng chứa Muốn đảo chiều chuyển động của piston ta chỉ cần xoay cơ cấu phân phối 900

Khi bị quá tải, piston sẽ dừng lại, áp suất ngăn trái tăng lên nén lò xo mở van

an toàn cho chất lỏng tháo về thùng chứa

a p

Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến.

1- Bơm piston; 2- Van đẩy; 3- Van hút; 4- Thùng chứa dầu;

5- Cơ cấu phân phối; 6- Xilanh lực; 7- Van an toàn; 8- Lọc dầu.

*) Các tính toán:

- Vận tốc cơ cấu chấp hành:

Nếu coi chất lỏng là tuyệt đối không nén được và bỏ qua sự rò rỉ của chất lỏng trong hệ thống thì lượng chất lỏng được bơm đẩy ra chính bằng lường chất lỏng vào xilanh lực xB.SB = xĐ.SĐ

Trong đó: xB và xĐ - đoạn di chuyển của piston trong bơm và trong xilanh lực

SB và SĐ - diện tích mặt làm việc của piston trong bơm và trong xilanh lực

Vận tốc của piston trong bơm và trong xilanh lực là: v =

dt dx

+ Lưu lượng do bơm cấp: Q B =v B.S B

+ Lưu lượng nạp vào xilanh lực: Q DC =v DC.S DC

Trong đó: vB và vDC - vận tốc di chuyển của piston trong bơm và trong xilanh lực

Nếu bỏ qua rò rỉ:

DC DC B B

DC B

S v S v

Q Q

DC DC

S

Q S

Q

Nếu bỏ qua tổn thất cột áp:

+ Áp suất trong xialnh của bơm

B

B

S

F

p= được truyền đến xialnh lực và gây ra

lực làm cho piston chuyển động: FDC = p.SDC

+ Công suất của bơm là: NB = p.QB = FB.vB

+ Công suất của xilanh lực: NDC = p.QDC = FDC.vDC

Ta có: NB = NDC (truyền công suất không mất mát)

Nếu trong sơ đồ truyền động trên ta dùng bơm rôto thì:

- Lưu lượng của bơm là: QB = qB.nB

Với: qB – là lưu lượng riêng của bơm

nB – là số vòng quay của bơm trong một đơn vị thời gian

- Ta có vận tốc của piston trong xilanh lực là :

DC

DC B

B B DC

S

Q S

n q

- Công suất của bơm là : NB = p.QB = p.qB.nB

3.2.2 Truyền động thủy lực thể tích có chuyển động quay

a p

3

2

1

4

Hình 3-2 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực thể tích có chuyển động quay.

1-Bơm rôto; 2- Van an toàn; 3- Cơ cấu phân phối; 4- Động cơ thủy lực.

Chất lỏng từ thùng chứa vào bơm, qua cơ cấu phân và đi vào động cơ thủy lực sau đó về lại thùng chứa Van an toàn được lắp sau bơm để tháo chất lỏng về thùng chứa khi có quá tải

- Lưu lượng tiêu thụ của động cơ rôto là : QDC = qDC.nDC

Trong đó : qDC – lưu lượng riêng của động cơ thủy lực.

nDC - số vòng quay của động cơ

Vận tốc quay của động cơ thủy lực là : nDC = nB DC

B

q q

- Mômen quay của động cơ thủy lực : MDC =

2π

Do NDC = p.qDC.nDC nên: MDC =

π

2

.q DC p

*) Nhận xét:

- Nếu bỏ qua tổn thất lưu lượng, áp suất thì vận tốc của động cơ thủy lực (có chuyển động tịnh tiến hay quay vòng) phụ thuộc vào lưu lượng của bơm và động cơ thủy lực Khi thay đổi một trong hai yếu tố đó thì có thể thay đổi được vận tốc của

cơ cấu chấp hành

Thực tế không thể tránh khỏi sự rò rỉ nên lưu lượng vào động cơ thủy lực nhỏ hơn lưu lượng mà bơm cung cấp:QDC = QB – ΔQ

Với ΔQ là tổn thất lưu lượng

Mà tổn thất lưu lượng tỷ lệ với áp suất của chất lỏng trong hệ thống: ΔQ = k.p

Do đó: QDC = QB – k.p; Với: k – là hệ số rò rỉ

Vậy nếu động cơ thủy lực là xilanh lực thì vận tốc của piston là: p

S

k S

Q v

DC B

- Lực và mômen quay do động cơ tạo nên phụ thuộc vào áp suất trong động cơ thủy lực và các thông số hình học của nó Nếu các thông số hình học đó không đổi, thì khi p = const lực hoặc mômen quay cũng không đổi Nếu trong quá trình làm việc của truyền động thủy lực ta thay đổi SDC hoặc qDC thì sẽ thay đổi được lực hoặc mômen quay Ngược lại, nếu giữ nguyên các thông số hình học thì bằng cách thay

đổi áp suất chất lỏng trong hệ thống ta cũng có thể thay đổi được lực và mômen của động cơ thủy lực.

Tóm lại: trong việc điều chỉnh vận tốc, lực và mômen quay của động cơ thủy

lực về trị số và ngay cả phương chiều, ngoài cách dùng các bơm, động cơ thủy lực điều chỉnh được, còn có thể dùng các cơ cấu thủy lực gọi chung là các phần tử thủy lực

3.3 Các loại sơ đồ của hệ thống truyền động thủy lực thể tích

Để thực hiện truyền động theo nguyên lý đã nói như trên, các máy thủy lực và các phần tử thủy lực được nối với nhau bằng hệ thống đường ống Tùy theo đặc điểm của các máy thủy lực cũng như các phần tử thủy lực, tùy theo yêu cầu làm việc của truyền động thủy lực mà chúng ta có thể ghép mạch thủy lực theo ba loại

- Chất lỏng được lọc tạp chất trước khi vào bơm

- Nhiệt độ chất lỏng làm việc thấp vì sau khi làm việc nó được đưa về thùng chứa nên có thời gian để nguội, vì thế mà rò rỉ trong hệ thống hở cũng ít hơn

b) Nhược điểm :

- Hệ thống có kết cấu cồng kềnh

- Áp suất làm việc của hệ thống hở cũng không cao, công suất thấp

- Khó đảo chiều chuyển động của bộ phận chấp hành khi phụ tải lớn

3.3.2 Sơ đồ kín

a) Nguyên lý làm việc

Chất lỏng từ bơm 1 qua tiết lưu 3, van một chiều, cơ cấu phân phối 4 vào động

cơ thủy lực 5 Sau khi làm việc chất lỏng trở về khoang hút của bơm

Bơm phụ 6 dùng để bổ sung chất lỏng mất mát trong hệ thống do rò rỉ qua các khe hở và van an toàn 2

Hình 3-3 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực thể tích kín.

1- Bơm; 2- Van an toàn của bơm; 3- Tiết lưu; 4- Van một chiều; 5- Cơ cấu phân phối; 6- Động cơ thủy lực; 7- Bơm phụ; 8- Van an toàn của bơm phụ; 9- Xilanh lực; 10- Van một chiều bình chứa phụ; 11- Bình chứa phụ.

Cũng có khi người ta thay tác dụng của bơm phụ bằng thùng chứa phụ để bổ sung chất lỏng (hình 3.3.b)

Nguyên tắc là phải lắp bình bù ở nơi có áp suất thấp

b) Ưu điểm:

- Hệ thống kín có kết cấu gọn nhẹ hơn, không có can thiệp từ bên ngoài

- Áp suất làm việc của hệ thống cao (do tăng được áp suất trong khoang hút của bơm), do đó cung cấp công suất lớn

- Có thể đảo chiều chuyển động của bộ phận chấp hành dễ dàng khi phụ tải lớn

c) Nhược điểm:

- Chất lỏng làm việc không được lọc tạp chất

- Chất lỏng làm việc có nhiệt độ cao, làm tăng rò rỉ

- Sơ đồ bố trí phức tạp vì phải có bơm phụ hoặc bình chứa phụ để bổ sung chất lỏng

3.3.3 Sơ đồ vi sai

Trong trường hợp truyền động thủy lực thể tích dùng xilanh lực cần một phía, lưu lượng của chất lỏng đi vào và ra động cơ thủy lực khác nhau Khi đó nếu ghép

hút của bơm sẽ khác nhau Để khắc phục hiện tượng đó người ta phải bố trí thêm thùng chứa phụ và ghép mạch truyền động theo sơ đồ vi sai.

a) Sơ đồ và nguyên lý làm việc

Bơm rôto đẩy chất lỏng qua cơ cấu phân phối vào khoang bên phải của xilanh lực, làm piston chuyển động sang trái Chất lỏng từ khoang trái xilanh lực qua cơ cấu phân phối về ống hút của bơm

Ta thấy khi piston di chuyển, lưu lượng vào và ra khỏi xilanh lực sẽ khác nhau

12

3

54

6

Hình 3-4 Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực thể tích vi sai.

1- Bơm; 2- Cơ cấu phân phối; 3- Xilanh lực;

4- Bình chứa phụ; 5- Van một chiều; 6- Van điều khiển.

- Khi piston sang phải, lưu lượng đi ra nhỏ hơn lưu lượng vào xilanh lực, do đó cần

bổ sung chất lỏng vào ống hút của bơm

- Ngược lại, khi piston di chuyển sang trái lưu lượng ra lớn hơn lưu lượng vào, nên cần phải tháo bớt chất lỏng ra khỏi ống hút

Để làm các công việc trên ta dùng bình phụ 4 bố trí trên sơ đồ (hình vẽ) Khi piston di chuyển sang trái chất lỏng từ khoang trái của xilanh lực sẽ chảy vào ống hút của bơm, nhưng một phần qua van 6 vào thùng 4 Khi đó dưới áp lực cao van 5 đóng lại

Khi piston sang phải, chất lỏng từ thùng 4 sẽ bổ sung vào ống hút qua van 5, khi đó van 6 đóng lại

Sơ đồ vi sai có ưu điểm: giúp điều hòa chuyển động của hệ thống và bổ sung lưu lượng rò rỉ cho hệ thống

4 Máy thủy lực thể tích

Máy thủy lực thể tích được dùng trong hệ thống truyền động thủy lực thể tích Chúng đóng vai trò là các cơ cấu biến đổi năng lượng trong hệ thống

4.1 Nguyên lý chuyển đổi năng lượng của các máy thủy lực thể tích

Máy thủy lực thể tích bao gồm các loại bơm và động cơ thủy lực thể tích Bơm thể tích đẩy chất lỏng bằng áp suất thủy tĩnh, còn động cơ thủy lực thể tích thì biến

áp năng của chất lỏng thành cơ năng của nó

a) Bơm: là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng

lượng của dòng chất lỏng 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, bơm hút dầu, thực hiện chu

kỳ hút và khi thể tích của buồng giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ đẩy chất lỏng

b) Động cơ thủy lực: là thiết bị dùng để biến năng lượng của dòng chất lỏng

thành động năng làm di chuyển bộ phận công tác của 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, các phần tử của động cơ chuyển động

Máy thủy lực thể tích gồm nhiều loại Theo công dụng, máy thủy lực thể tích

có thể chia ra:

- 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 ra:

- Loại piston (có chuyển động tịnh tiến)

- Loại piston rôto (vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay)

- Loại rôto (có chuyển động quay)

Theo lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc chia ra:

- Bơm có lưu lượng không thay đổi gọi tắt là bơm không điều chỉnh

- Bơm có lưu lượng thay đổi gọi là bơm điều chỉnh

4.2 Các thông số cơ bản của máy thủy lực thể tích

a) Lưu lượng:

- Lưu lượng trung bình lý thuyết Q (chưa kể đến sự rò rỉ) của máy thủy lực thể

Trong đó: - ql là lưu lượng riêng của máy hay cũng là thể tích làm việc của máy trong một chu kỳ.

- n là số vòng quay của trục máy

- Lưu lượng trung bình thực tế của máy Q thường nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết

vì máy luôn có sự rò rỉ chất lỏng khi làm việc Q = ηQ.Ql

Với: ηQ là hiệu suất lưu lượng của bơm

- Lưu lượng tức thời của máy thủy lực thể tích luôn thay đổi theo thời gian kể

cả khi máy làm việc ổn định

b) Áp suất:

Trong máy thủy lực thể tích áp suất được dùng để biểu thị khả năng tải của máy Cột áp H và áp suất p liên hệ với nhau theo công thức: H = γ

p

Trong đó: γ là trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

Áp suất buồng làm việc có liên quan đến lực tác dụng hoặc mômen quay của máy Đối với máy thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên piston tạo nên áp lực F: F = p.S

Trong đó: S là diện tích làm việc của piston

Đối với máy thủy lực thể tích có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên mômen quay M: M = kM.p

Với kM là một hằng số đối với một máy nhất định phụ thuộc vào kết cấu và kích thước máy gọi là hệ số mômen

Hệ số mômen lý thuyết kM có thể suy ra từ công thức tính công suất lý thuyết:

Nlt = γ.Ql.H Hay: Nlt = Ql.pMặt khác: Nlt = ω.Μ Nên: M = Q l .p

- Đối với bơm: p.Q = ηB.M.ω

- Đối với động cơ: ηDC.p.Q = M.ω

Vậy công thức tính mômen quay của trục bơm và động cơ thể tích là:

- Đối với bơm:

p

k p

c) Hiệu suất và công suất:

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

ρ g Q H p Q

N B = . . . = .

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

- Đối với động cơ có chuyển động tịnh tiến: N DC =F.v

Với: F là lực tác dụng lên piston

v là vận tốc của piston

- Đối với động cơ có chuyển động quay: NDC = M.ω

Với: M là mômen trên trục

ω là vận tốc góc

4.3 Bơm và động cơ thủy lực piston.

4.3.1 Bơm piston.

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm piston.

Khi bơm hoạt động thì chuyển động quay của trục động cơ được biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của piston 1 trong xilanh 2 nhờ hệ thống thanh truyền tay quay với hành trình L = 2.RT (RT là chiều dài tay quay)

8 7 6

5 4

Hình 4-1: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của bơm piston tác dụng đơn.

1- Piston; 2- Xilanh; 3- Ống đẩy; 4- Van đẩy; 5- Buồng làm việc;

6- Van hút; 7- Ống hút; 8- Bình chứa dầu; 9- Tay quay; 10- Thanh truyền.

Bơm piston có thể tạo được áp suất lớn, nhưng chuyển động của chất lỏng qua bơm không đều, lưu lượng của bơm dao động Kết cấu của bơm tương đối cồng kềnh Khi cần áp suất cao 20 MPa trở lên và lưu lượng tương đối nhỏ thì nên dùng bơm piston

b) Phân loại bơm piston.

*) Theo phương pháp dẫn động có:

- Bơm tay: dẫn động bằng tay

- Bơm dẫn động bằng cơ cấu tay quay – thanh truyền

*) Theo kết cấu piston có:

- Piston dạng đĩa: mặt bên piston tiếp xúc với thành xilanh, lót kín bằng các secmăng đặt trên piston, cả piston và lòng xilanh phải được chế tạo chính xác

- Piston dạng trụ: đường kính piston nhỏ, mặt tiếp xúc là piston và cổ xilanh,

do đó lòng xilanh không cần chế tạo với độ chính xác cao

*) Theo số lần tác dụng:

- Bơm piston tác dụng đơn: trong 1 vòng quay của tay quay chỉ thực hiện một lần hút - đẩy chất lỏng qua bơm Với loại bơm này chất lỏng làm việc ở 1 phía của piston

- Bơm piston tác dụng kép (bơm tác dụng 2 chiều) (hình 4.2):

Khi piston qua phải, buồng A là buồng đẩy, buồng B là buồng hút, khi piston qua trái thì ngược lại; a và b là ống hút chung và ống đẩy chung.

1, 4- Các van hút; 2, 3- Các van đẩy.

- Bơm piston kiểu vi sai

- Bơm piston tác dụng ba:

1 2

3

4 5

Hình 4-3: Bơm piston tác dụng ba.

1- Trục dẫn động bơm; 2- Phớt làm kín;

2- Cần piston (thanh truyền); 4- Piston; 5- Xilanh.

Đây chính là ba bơm tác dụng đơn ghép lại, trục của ba bơm được dẫn động bằng một trục khuỷu với góc lệch cổ khuỷu là 120o, chất lỏng được đưa vào và ra các xilanh bằng một đường ống hút chung và một ống đẩy chung

- Bơm piston tác dụng bốn:

Là hai bơm tác dụng kép ghép với nhau, trục của hai bơm được dẫn động bằng một trục khuỷu với góc lệch cổ khuỷu là 900, chất lỏng được đưa vào và ra các xilanh bằng một đường ống hút chung và một đường ống đẩy chung.

*) Theo áp suất làm việc có:

- Bơm áp suất thấp: p < 1MPa

- Bơm áp suất trung bình: p = (1 ÷ 2) MPa

- Bơm áp suất cao: p > 2 MPa

*) Theo lưu lượng có:

- Bơm lưu lượng nhỏ: Q < 15 m3/h

- Bơm lưu lượng trung bình: Q = (15 ÷ 60) m3/h

- Bơm lưu lượng lớn: Q > 60 m3/h

Chất lỏng qua các bơm piston có tính chất không ổn định (không đều) Tính chất dao động lưu lượng là nhược điểm cơ bản trong máy thể tích Nhược điểm này dẫn đến dòng chảy trong bơm không ổn định do đó trong các truyền động thủy lực

và các hệ thống điều khiển tự động có độ chính xác cao bơm piston thường bị hạn chế sử dụng Vấn đề đặt ra cho bơm thể tích là phải khắc phục hiện tượng dao động lưu lượng Trong thực tế, bơm piston là loại bơm không điều chỉnh được Việc thay đổi các thông số kết cấu của bơm là không thể khi bơm đang hoạt động Còn số vòng quay bị giới hạn trong một phạm vi nhất định Khi bơm piston làm việc, lưu lượng và áp suất trong hệ thống bơm và đường ống bị dao động gây ra nhiều tác hại làm tăng tổn thất thủy lực, gây chấn động và nếu bơm làm việc trong đường ống dài

có thể xuất hiện va đập thủy lực làm hỏng các chi tiết của bơm và hệ thống

Trong trường hợp nhiều bơm cùng làm việc trong một hệ thống thì biên độ dao động của áp suất có thể tăng lên rất lớn do cộng hưởng

Khi bơm hoạt động trong hệ thống truyền động thủy lực, hiện tượng dao động lưu lượng và áp suất còn ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của hệ thống

Vì các lý do như vậy nên cần phải có các biện pháp hạn chế tính chất không ổn định của dòng chảy trong bơm piston Có các biện pháp sau:

- Dùng bơm tác dụng kép hoặc bơm ghép ( tác dụng ba, tác dụng bốn), hệ số không đều của lưu lượng sẽ nhỏ hơn bơm tác dụng đơn rất nhiều

- Dùng bình không khí để điều hòa lưu lượng và áp suất trong hệ thống (bình điều hòa) Đó là những bình chứa kín, có kích thước đủ lớn, đặt trên đường ống hút hoặc đường ống đẩy và ngay sát cửa vào (cửa ra) của van hút (van đẩy)

c) Đường đặc tính của bơm piston.

Đường đặc tính thể hiện đặc điểm và khả năng làm việc của máy Đường đặc tính cơ bản của bơm piston thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng và cột áp ứng với một số vòng quay nào đó H = f(Q)

H

Q C A

η Q

Q N η

Hình 4-4 Các loại đường đặc tính của bơm piston.

Theo lý thuyết của máy thủy lực thể tích, cột áp của máy không phụ thuộc vào lưu lượng Vì vậy đường đặc tính lý thuyết của bơm piston (bỏ qua các tổn thất) biểu diễn mối quan hệ H = f(Q) ở các số vòng quay khác nhau sẽ là các đường thẳng đứng song song với trục tung (các đường nét đứt) Nhưng đường đặc tính thực nghiệm của bơm piston thì hoàn toàn khác (các đường nét liền), khi cột áp tăng lên thì lưu lượng có giảm đi Bởi vì áp suất tăng thì tổn thất lưu lượng (do chất lỏng

rò rỉ qua bộ phần làm kín) tăng, làm giảm lưu lượng thực tế của bơm

Nếu áp suất làm việc quá lớn thì lưu lượng có thể mất hoàn toàn vì rò rỉ hoặc van an toàn mở để xả hết chất lỏng về bể hút Áp suất và lưu lượng lúc này được biểu diễn bằng đoạn GL, điểm G ứng với điểm van an toàn được mở

Sự chênh lệch giữa đường đặc tính lý thuyết và thực tế càng nhiều khi số vòng quay làm việc n càng lớn, vì khi đó ngoài tổn thất lưu lượng do rò rỉ mà còn có sự tổn thất do sự đóng mở các van đẩy và van hút không kịp thời

Hình trên biểu diễn các đường đặc tính làm việc Q = f(H), N = f(H), ηQ = f(H) ứng với số vòng quay n = const Đối với máy thủy lực thể tích có n = const, thường biểu diễn các thông số làm việc theo H vì lúc đó việc điều chỉnh chế độ làm việc của máy được thực hiện bằng cách thay đổi áp suất làm việc

Hìn 4-5 Các đường đặc tính theo tốc độ và

đường đặc tính xâm thực của bơm piston.

Khi áp suất làm việc của bơm không đổi (H = const), nếu số vòng quay n tăng thì:

- Q tăng khi n tăng vì Q = q.n

- N = γ.Q.Η do đó N tăng khi Q tăng

- ηQ tăng khi n tăng vì Q tăng còn H = const nên ΔQ coi như không đổi.Tuy nhiên khi n tăng quá lớn, ηQ sẽ giảm do mất mát qua van và ảnh hưởng đến khả năng điền đầy của buồng piston

Đường đặc tính xâm thực của bơm piston cho ta biết khả năng làm việc bình thường (không xảy ra xâm thực) của bơm ứng với số vòng quay không đổi và nhiệt

độ làm việc nhất định phụ thuộc vào độ chân không Các điểm K1, K2 là điểm giới hạn phạm vi làm việc an toàn của bơm ứng với các trị số áp suất chân không giới hạn ΔH = Hck(gh) Nếu độ chân không trong bơm vượt quá các trị số giới hạn thì bơm

sẽ làm việc trong tình trạng bị xâm thực

4.3.2 Động cơ thủy lực piston (xilanh thủy lực).

Động cơ thủy lực piston hay còn gọi là xilanh thủy lực là một dạng động cơ thủy lực, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng chất lỏng (chủ yếu là áp năng) thành cơ năng

Cấu tạo của động cơ thủy lực piston bao gồm piston chuyển động trong xilanh

và ống dẫn chất lỏng vào và ra khỏi xilanh

Nguyên lý làm việc của động cơ thủy lực piston là đưa vào xilanh một dòng chất lỏng có áp, dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, piston sẽ chuyển động trong xilanh, tạo ra chuyển động của cơ cấu chấp hành của truyền động thủy lực

Động cơ thủy lực piston có hai loại là xilanh lực và xialnh mômen Xilanh lực

có chuyển động tương đối giữa piston với xialnh là chuyển động tịnh tiến thẳng,

còn xilanh mômen thì chuyển động tương đối giữa piston và xilanh là chuyển động quay với góc quay nhỏ hơn 3600.

Hình 4-6 Xilanh lực và xilanh mômen a) Xilanh lực; b) Xilanh mômen.

1- Piston; 2, 4- Xilanh; 3- Cần piston ; 5- Trục quay ; 6- Cánh gạt.

Nhưng loại này có nhược điểm là kích thước của máy tăng do hai phía đều có cần và công nghệ chế tạo phức tạp hơn, khó đảm bảo độ đồng tâm của lòng xilanh

và hai lỗ cần

- Theo chiều tác dụng chia ra:

+ Xilanh lực tác dụng một phía (hình 4-7: a, c): chất lỏng đi vào từ một phía, chuyển động ngược lại được thực hiện nhờ lò xo

+ Xilanh lực tác dụng hai phía (hình 4-7: b, d): chất lỏng tác dụng tạo chuyển động cho piston có thể đi vào từ phía này hoặc phía kia của piston

*) Xilanh lồng:

4

B AC

D

I II

III

Hình 4-8 Xilanh lồng.

1- Piston thứ nhất; 2- Piston thứ hai; 3- Piston thứ ba; 4- Các vòng làm kín.

Để có hành trình làm việc của piston lớn (lớn hơn chiều dài kết cấu máy), người ta dùng xialnh lồng bao gồm nhiều xilanh lồng với nhau qua một kết cấu chung

Xialnh lồng gồm có piston 1 chuyển động trong xilanh 2, xialnh 2 còn làm nhiệm vụ piston chuyển động trong xialnh 3 Chất lỏng được đưa vào và ra xilanh theo ba đường :

- Đường I, II trên xialnh 3

- Đường III trên piston 1

Xilanh làm việc như sau:

+ Khi dẫn chất lỏng vào I, xilanh 2 di chuyển một hành trình L2, đồng thời chất lỏng từ buồng A đi vào buồng B làm piston 1 di chuyển một đoạn L1 Như vậy piston 1 chuyển động từ phải sang trái một hành trình tổng cộng là L1 + L2

+ Để có hành trình ngược lại, ta dẫn chất lỏng đồng thời vào II và III, piston 2

di chuyển một hành trình L2 và piston 1 di chuyển một đoạn L1 Như vậy piston 1 chuyển động từ phải sang trái một hành trình tổng cộng là L + L

Loại xilanh này có chuyển động từ từ, điều hòa, dùng trong các máy cần trục

và bốc dỡ hàng hóa, có thể dùng xilanh lồng tác dụng kép với số xilanh là 4 hay 6 Dòng chất lỏng đưa vào và đưa ra có thể khống chế, điều chỉnh theo ý đồ của người điều khiển

- Các đường 1, 2 để piston B đi từ bên phải sang trái

- Đường 3 để piston B đi từ trái sang phải

Để có được các vận tốc và lực tác dụng lên cơ cấu chấp hành khác nhau, ta phân phối chất lỏng theo các đường dẫn khác nhau

*) Hiệu suất của xilanh lực:

Các công thức tính toán vận tốc làm việc và lực đẩy piston ở phần trên được xác định trong trường hợp lý tưởng Trong thực tế, phải xét đến tổn thất do ma sát

cơ khí và rò rỉ lưu lượng

- Hiệu suất cơ khí: nếu bỏ qua lực quán tính của piston thì lực tác dụng lên piston sẽ là: Fthực = F ηc = p.S ηc

Với: ηc = 0,85 ÷ 0,97 là hiệu cơ khí do ma sát giữa piston và xilanh, phụ thuộc vào các yếu tố: kết cấu của hệ thống, độ chính xác gia công, áp suất làm việc và vận tốc chuyển động

- Hiệu suất lưu lượng ηQ: trong thực tế do có rò rỉ chất lỏng nên vận tốc thực của piston là:

Nếu làm kín bằng các vòng kim loại mềm thì ηQ = 0,98 ÷ 0,99

Đệm lót kín được chọn như sau:

+

D

L

< 15: loại xilanh ngắn, có thể đảm bảo gia công chính xác bề mặt xilanh

do đó dùng secmăng kim loại

+

D

L

> 15: loại xilanh dài, dùng vòng đệm mềm để từ điều chỉnh

Khi chất lỏng làm việc là nước hoặc có nền là nước thì phải làm kín tốt hơn bằng vòng đệm da chữ V hoặc chữ U

Khi làm việc không cho pháp tải trọng ngang tác dụng lên piston vì như thế dễ làm hỏng đệm, hỏng bề mặt piston và xilanh, do đó hướng của piston phải thật chuẩn xác Nếu đã có tải trọng ngang thì phải khắc phục bằng cách tăng chiều dài ngàm lng trong xilanh, chiều dài ngàm là chiều dài mà piston còn nằm trong xilanh khi piston đã ở vị trí cuối hành trình

L < D: lng > 10%L

L > 10D: lng > 20%LTrong thực tế do khả năng công nghệ nên

Theo kết cấu xilanh mômen được chia thành:

- Xilanh mômen một cánh gạt

- Xilanh mômen hai hoặc nhiều cánh gạt

Hình 4-10 Sơ đồ kết cấu các xilanh mômen.

a) Loại một cánh gạt; b) Loại hai cánh gạt; c) Loại ba cánh gạt.

1- Xilanh; 2- Trục quay; 3- Cánh gạt.

Mômen xilanh nhiều cánh gạt được sử dụng khi cần có mômen làm việc lớn, nhưng lúc đó góc quay của xilanh phải giảm đi

4.4 Máy thủy lực rôto

4.4.1 Giới thiệu chung.

Máy thuỷ lực rôto có nhiều loại, mỗi loại có nhiều kiểu khác nhau Chủ yếu có:

- Bơm và động cơ bánh răng

- Bơm và động cơ trục vít

- Bơm và động cơ cánh gạt

- Bơm chân không vòng nước

Các loại bơm rôto đều có thể biến thành động cơ, nếu ta nạp vào chúng dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn

Bộ phận làm việc chính trực tiếp trao đổi áp năng với dòng chất lỏng qua máy

là bộ phận có chuyển động quay như bánh răng, trục quay có cánh gạt v.v…gọi chung là rôto Rôto có chuyển động tròn đều tạo ra dòng chảy tương đối đều Lưu lượng và áp suất của dòng chảy trong các máy rôto dao động ít hơn so với dòng chảy trong các máy thuỷ lực piston

Áp suất làm việc trong các máy thuỷ lực rôto thường cao hơn so với máy thuỷ lực cánh dẫn nhưng thấp hơn so với máy thuỷ lực piston thông thường là 2 ÷ 15MPa

Ưu điểm chung của máy thuỷ lực rôto:

Kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, nhẹ, có tuổi bền cao, chắc chắn, làm việc tin cậy, có thể làm việc với vòng quay lớn, công suất trên một đơn vị trọng

sử dụng rộng rãi trong nghành chế tạo máy và động lực ứng với các điều kiện kỹ thuật phù hợp, ví dụ như trong các hệ thống truyền động và truyền lực bằng dầu hoặc trong các bộ phận điều khiển bằng các cơ cấu thuỷ lực

4.4.2 Bơm và động cơ thủy lực bánh răng.

a) Bơm bánh răng.

*) Giới thiệu chung.

Bơm bánh răng được dùng phổ biến nhất trong các loại máy rôto vì có nhiều

ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc tin cậy, tuổi bền cao, kích thước nhỏ gọn, có khả năng chịu quá tải trong thời gian ngắn… Các ưu điểm này rất cần thiết đối với một bơm dùng trong truyền động thuỷ lực Tuy nhiên bơm bánh răng

có nhược điểm là không điều chỉnh được lưu lượng khi n = const

- Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

3

4

1 6 5

B

A

Hình 4-11 Sơ đồ kết cấu bơm bánh răng.

1- Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động; 3- Vỏ bơm; 4- Ống hút;

5- Ống đẩy; 6- Van an toàn; A- Buồng hút; B- Buồng đẩy.

Bánh răng chủ động 1 gắn liền trên trục chính của bánh răng ăn khớp với bánh răng bị động 2, cả hai bánh răng đều đặt trong vỏ bơm 3 Khoảng trống A giữa vỏ bơm, miệng ống hút 4 và hai bánh răng gọi là bọng hút; khoảng trống B giữa vỏ bơm, hai bánh răng và miệng ống đẩy gọi là bọng đẩy Khi bơm làm việc bánh răng chủ động quay, kéo bánh răng bị động quay theo chiều mũi tên (chỉ trên hình vẽ) chất lỏng chứa đầy trong các rãnh a giữa các răng ngoài vùng ăn khớp được chuyển

từ bọng hút qua bọng đẩy vòng theo vỏ bơm (theo chiều chuyển động của bánh răng) Vì thể tích chứa trong bọng đẩy giảm khi các răng của hai bánh răng ăn khớp, nên chất lỏng bị dồn ép vào ống đẩy 5 với áp suất cao Quá trình này gọi là quá

trình đẩy của bơm Đồng thời với quá trình đẩy, thì ở bọng hút xảy ra quá trình hút như sau: thể tích chứa chất lỏng tăng (khi các răng ăn khớp) áp suất giảm xuống nhỏ hơn áp suất trên mặt thoáng của bể hút, làm cho chất lỏng chảy qua ống hút 4 vào bơm (nếu áp suất trên mặt thoáng của bể hút là áp suất khí trời thì bọng hút có

áp suất chân không)

Như vậy quá trình hút và đẩy của bơm xảy ra đồng thời và liên tục khi bơm làm việc Theo nguyên lý làm việc ở trên ta thấy rằng, nếu trong bơm không có khe

hở thì áp suất chất lỏng chỉ tăng khi nào chất lỏng được chuyển đến bọng đẩy Như vậy áp suất do bơm tạo nên chỉ phụ thuộc vào phụ tải (áp suất trên ống đẩy)

Nhưng thực tế bao giờ cũng có các khe hở: giữa đỉnh răng với vỏ bơm Giữa mặt đầu đỉnh răng với vỏ bơm và giữa các mặt bánh răng, nên chất lỏng được tăng

áp suất sớm hơn trước khi đến bọng đẩy

Chính các khe hở gây nên tổn thất lưu lượng cho bơm bánh răng (chất lỏng theo khe hở chảy ngược về bọng hút), hạn chế khả năng tăng áp suất làm việc của bơm Nếu áp suất phụ tải cao quá mức thì có thể lưu lượng của bơm hoàn toàn bị tổn thất

Vì vậy để hạn chế áp suất làm việc tối đa của bơm cần bố trí một van an toàn 6 trên ống đẩy Van này tự mở ra cho chất lỏng thoát về bể hút (hoặc bọng hút) khi ống đẩy bị tắc hoặc áp suất ống đẩy lớn hơn quá mức qui định

- Phân loại bơm bánh răng:

+ Bơm nhiều bánh răng: thường dung nhất là ba bánh răng ăn khớp với nhau Lưu lượng của nó gấp đôi lưu lượng của bơm hai bánh răng cùng kích thước Bánh răng chủ động được bố trí ở giữa, có số răng nhiều hơn hai bánh răng bị động từ 1 đến 3 răng để cho lưu lượng của hai bơm ghép lệch pha nhau nhằm làm giảm sự dao động lưu lượng và áp suất

+ Bơm bánh răng nhiều cấp: số cấp n ≥ 2, mục đích để tăng áp suất mà bơm tạo ra Chất lỏng từ buồng đẩy của cặp bánh răng thứ nhất sẽ vào buồng hút của cặp bánh răng thứ hai và cứ thế tiếp tục được tăng áp suất

Lưu lượng Q1 > Q2 > Q3 >… do rò rỉ qua các cấp Ở mỗi cấp đều có bố trí van

an toàn để điều chỉnh áp suất và lưu lượng ở mỗi cấp

+ Bơm hai bánh răng ăn khớp trong: mục đích để tăng độ cứng vững của bơm, bơm có kết cấu nhỏ gọn, loại này chỉ dung trong trường hợp đặc biệt vì chế tạo phức tạp và giá thành đắt

- Các thông số làm việc:

• Chất lỏng điền đầy rãnh răng.

• Thể tích rãnh răng bằng thể tích răng Vrãnh = Vrăng

Gọi Z là số răng của bánh răng chủ động, V là thể tích của một rãnh răng, ta có lưu lượng riêng của bơm bánh răng là: q l = 2 Z.V

b m Z

D b h

t

2

2

b D h D b

c c

l

2 2.2

⋅

=

Trong đó: Dc - đường kính vòng tròn chia

b - chiều dài răng (chiều rộng bánh răng)

h = 2m - chiều cao của răng

- môđun của bánh răng

Ta có lưu lượng lý thuyết trung bình là: Q l =q l.n;

Z

n b D

Z

n b D

Nếu số răng của hai bánh răng không như nhau thì lấy số răng Z1 của bánh răng chủ động để tính ncđ chính là số vòng quay của trục bánh răng chủ động.

Với bánh răng dịch chỉnh thì:

)cos.(

+ Lưu lượng thực của bơm:

Trong thực tế lưu lượng Q ít hơn, vì không phải tất cả chất lỏng trong các rãnh đều chuyển vào bọng đẩy, một phần chất lỏng bị rò rỉ theo các khe hở chảy về bọng hút (giữa đỉnh và vỏ bơm, giữa mặt đầu bánh răng và vỏ bơm)

Vậy lưu lượng thực tế của bơm bánh răng là: Q=ηQ.Q1 =7.ηQ.D c.m.b.n

Trong đó: ηQ là hiệu suất lưu lượng, kể tới các tổn thất lưu lượng của bơm, ηQ

phần lớn được xác định bằng thực nghiệm; nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ lớn của các khe hở trong bơm, cấp chính xác gia công, độ cứng vững của các bánh răng, kết cấu bơm v.v…,theo [1] thông thường ηQ= 0,8-0,9.

*) Mômen quay và lưu lượng tức thời của bơm

- Mômen cản tác dụng lên trục bánh răng chủ động (bánh răng 1):

Ta thấy từ điểm A đến đỉnh răng chịu lực không cân bằng, còn các cặp mặt răng khác áp suất gây ra áp lực bị triệt tiêu từng đôi một

Do đó ta có mômen cản tác dụng lên trục bánh răng chủ động là:

B A

M = M1 + M2 => [ 2 ( 2 2) ]

2.22

1

2 2 2

2

2

l R

y

x + = + ; Vậy: ( 2 2 2 )

R b p

Đối với bánh răng thông thường thì R2 = R + m nên: ( 2 2 )

l m Rm b p

Ta thấy rằng trị số mômen tác dụng lên trục bơm M phụ thuộc vào khoảng cách l Khi l = lmax thì mômen có trị số nhỏ nhất Mmin: (2 2 )

Công suất trên trục của bơm tại thời điểm trục bơm có mômen quay tức thời M là: N = M.ω (ω = const, là vận tốc góc của bơm)

Mặt khác, công suất trục bơm phụ thuộc vào lưu lượng tức thời Q là:

ϕ ϕ

Khi l = lmax bơm có lưu lượng nhỏ nhất: Qmin =(2Rm+m2−l2max)ω.b

Như vậy ta thấy lưu lượng tức thời của bơm bánh răng thay đổi một cách có chu kỳ từ Qmin đến Qmax Để đánh giá mức độ dao động lưu lượng của bơm bánh răng, ta tính hệ số dao động lưu lượng: δ =QmaxQ−Qmin

*) Khắc phục dao động lưu lượng trong bơm bánh răng:

Dao động lưu lượng gây ra dao động áp suất, ảnh hưởng xấu đến sự làm việc của bơm và của hệ thống truyền động thuỷ lực

Để khắc phục hiện tượng dao động lưu lượng , có thể dùng các biện pháp sau đây:

- Dùng bánh răng có số răng Z lớn, biện pháp này có nhược điểm là phải tăng đường kính răng.

- Dùng bánh răng nghiêng:

Ta biết rằng khác với bánh răng thẳng, ở bánh răng nghiêng toàn bộ chiều dài tiếp xúc không vào và ra khớp cùng một lúc mà vào và ra khớp từ từ nên lưu lượng của bơm đều hơn (dao động ít hơn) và bơm làm việc êm hơn Hệ số dao động lưu lượng của bơm bánh răng nghiêng nhỏ hơn so với bơm răng thẳng Nó tuỳ thuộc vào góc nghiêng của răng và chiều rộng b của bánh răng

- Dùng bánh răng chữ V: bơm bánh răng chữ V có đầy đủ ưu điểm của bơm bánh răng nghiêng Trong bơm bánh răng chữ V, các lực chiều trục tự khử nhau Vì vậy dùng bơm bánh răng chữ V thì phát huy được ưu điểm của bơm bánh răng nghiêng bằng cách tăng góc nghiêng β của răng, có thể tới 35° ÷ 45° Do đó phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chữ V lớn hơn, có thể làm việc với áp suất cao hơn bơm bánh răng nghiêng và thường được dùng với p = 2 ÷ 4MPa

Tuy nhiên kết cấu của bánh răng chữ V phức tạp, chế tạo đắt tiền

*) Hiện tượng chất lỏng bị nén ở chân răng khi bơm làm việc:

Ở trên đã trình bày, không phải toàn bộ chất lỏng trong rãnh hai giữa răng được đưa vào bọng đẩy Một phần chất lỏng bị giữ lại ở chân răng khi hai răng ăn khớp với nhau Nếu giữa các mặt răng khi ăn khớp không có khe hở thì phần chất lỏng ở chân răng bị nén lại khi cặp răng vào khớp Hiện tượng nén chất lỏng sẽ ít hơn trong trường hợp không chỉ có một cặp răng ăn khớp mà có nhiều cặp răng ăn khớp cùng một lúc tức là khi hệ số trùng khớp ε >1

Khi cặp răng sắp kết thúc quá trình vào khớp thì áp suất của chất lỏng bị nén ở chân răng lớn nhất vì thể tích chứa chất lỏng nhỏ nhất Nhưng khi cặp răng ra khớp thì thể tích lớn dần, áp suất nhỏ đi, áp suất chân không xuất hiện Kết qủa là một phần mặt răng khi vào khớp và ra khớp chịu thêm tải trọng phụ đổi dấu gây ảnh hưởng xấu đến sức bền của bánh răng và ổ trục Ngoài ra chất lỏng trong các thể tích bị nén nóng lên và khi áp suất giảm thì chất lỏng bốc hơi, sủi bọt gây hiện tượng xâm thực và nếu chất lỏng làm việc là dầu thì dễ bị biến chất (oxy hoá)

Để khắc phục hiện tượng chất lỏng bị nén ở chân răng khi bơm làm việc thường dùng các biện pháp sau đây:

- Làm các rãnh “thoát” trên thành vỏ bơm ở phía trong ngang vị trí ăn khớp của hai bánh răng Các rãnh này có thể thông với bọng hút hoặc bọng đẩy Chất lỏng ở chân răng bị nén sẽ đi qua các rãnh này mà về bọng hút hoặc bọng đẩy, do đó không gây

nên tải trọng phụ Nếu rãnh thông với bọng hút thì tổn thất lưu lượng sẽ tăng lên, hiệu suất lưu lượng giảm khoảng độ 7%

- Khoang các lỗ thoát hướng kính ở chân răng Các lỗ này thông với các rãnh trên trục dẫn chất lỏng đến bọng hút hoặc bọng đẩy Kết cấu này phức tạp chế tạo tương đối khó

Hai biện pháp nêu ở trên đòi hỏi kết cấu bơm phức tạp, chế tạo khó khăn, làm giảm độ kín của thể tích làm việc nên hiệu suất lưu lượng bị giảm

- Dùng bánh răng nghiêng hoặc bánh răng chữ V là một biện pháp tốt để khắc phục hiện tượng nén chất lỏng ở chân răng

*) Tổn thất và lưu lượng trong bơm bánh răng.

Cũng như các loại máy thể tích khác, tổn thất trong bơm bánh răng có hai dạng: tổn thất cơ khí và tổn thất lưu lượng

- Tổn thất cơ khí do ma sát trên các bề mặt làm việc của các chi tiết trong bơm, được đánh giá bằng hiệu suất cơ khí ηc Hiệu suất này phụ thuộc vào chất lượng chế tạo và kết cấu của bơm, thường ηc = 0,8 ÷ 0,95

- Tổn thất lưu lượng do các thể tích làm việc không được kín và do chất lỏng không điền đầy các rãnh răng

Ngoài ra lưu lượng còn tổn thất do dòng chảy ngược, tức là chất lỏng chảy trong khe hở giữa vòng đỉnh răng và thành vỏ bơm ngược với chiều quay của bánh răng bởi vì áp suất ở bọng đẩy cao hơn ở bọng hút

Tình trạng “khuyết” chất lỏng trong các thể tích làm việc cũng là nguyên nhân gây nên hiện tượng xâm thực và làm cho dầu chóng mất phẩm chất

Để làm cho chất lỏng điền đầy các rãnh răng (thể tích làm việc), thường có những biện pháp sau đây:

+ Tạo áp suất thích hợp trong bọng hút, không để áp suất ở bọng hút nhỏ hơn

áp suất do lực ly tâm sinh ra khi bánh răng quay bằng cách đặc bơm thấp hơn mức chất lỏng trong bể hút hoặc áp suất chất lỏng trên mặt thoáng bể hút

+ Cấu tạo (hình dạng và kích thước) của đường dẫn chất lỏng vào bọng hút phải hợp lý, theo [1] vận tốc chất lỏng vào bọng hút không nên quá 2 ÷ 3 m/s Đường dẫn chất lỏng đến bọng hút có kết cấu hình “loa”

+ Hạn chế vận tốc làm việc của bánh răng, vận tốc vòng ở đỉnh răng không nên quá 6 ÷ 8m/s (nếu chất lỏng có độ nhớt cao thì nên chọn nhỏ hơn

Tổn thất lưu lượng của bơm được đánh giá bằng hiệu suất lưu lượng ηQ, thường ηQ = 0,7 ÷ 0,9 Bơm có lưu lượng càng lớn thì hiệu suất càng cao.

Hiệu suất của bơm η là: η =ηC.ηQ

Thường: η=0,6÷0,85

Công suất của bơm bánh răng được tính theo công thức: η

Q p

N = .

Trong đó: p - là chênh lệch áp suất giữa bọng đẩy và bọng hút

Q - là lưu lượng của bơm

η - là hiệu suất của bơm.

b) Động cơ bánh răng.

Động cơ bánh răng có kết cấu như bơm bánh răng, nhưng đòi hỏi phải chế tạo chính xác và phức tạp hơn, do đó đắt tiền hơn Trong nhiều trường hợp bơm và động cơ là một Khi đó máy thuỷ lực được gọi là bơm động cơ bánh răng hoặc động

cơ bơm bánh răng

Tổn thất cơ khí trong động cơ bánh răng lớn hơn trong các động cơ piston rôto, cho nên áp suất của dòng chất lỏng để khởi động động cơ cũng lớn hơn

Vì thế cho nên vấn đề giảm ma sát trên bề mặt làm việc của các chi tiết trong bơm bánh răng cần được chú ý thích đáng trong thiết kế, chế tạo và sử dụng cụ thể là:

- Khe hở trong các ổ trục cần phải giảm đến mức tối thiểu để đảm bảo sự ăn khớp chính xác của cá bánh răng

- Cần đảm bảo khe hở hướng kích hợp lý giữa vòng đỉnh răng với thành vỏ động cơ; nhất là về phía đối diện bên có áp suất cao (lối vào của động cơ) để bánh răng không cọ sát vào thành vỏ

- Để giảm ma sát trong các ổ trục cần có biện pháp khắc phục lực hướng tâm do áp suất chất lỏng gây ra trong động cơ

Ngoài động cơ hai bánh người ta còn sử dụng động cơ nhiều bánh răng để có mômen quay lớn và kích thước nhỏ gọn người ta dùng động cơ có ba và bốn bánh răng, trong đó bánh răng lớn nhất lắp trên trục chính của động cơ; còn các bánh răng bố trí xung quanh Công suất của động cơ loại này tương đối lớn, có thể đến 80kw Trong các trường hợp đặc biệt số bánh răng trong các động cơ có thể đến 11 với mômen quay đến 20000 ÷ 25000Nm (với p = 10MPa, và n ≤ 100 vg/ph)

4.4.3 Bơm và động cơ thủy lực cánh gạt.

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc.

Bơm gồm có một vỏ hình trụ trong đó có rôto Tâm của vỏ và rôto lệch nhau một khoảng e Trên rôto có các bản phẳng Khi rôto quay, các bản phẳng này trượt trong các rãnh của rôto và gạt chất lỏng, nên gọi là cánh gạt Phần không giới hạn bởi vỏ bơm và rôto gọi là thể tích làm việc

Nhờ lực đẩy của lò xo 4 các cánh gạt 3 luôn tì sát vào thành vỏ bơm Giả sử khi bơm làm việc rôto quay theo chiều mũi tên, thể tích chứa chất lỏng từ A đến mặt cắt C – C tăng, áp suất trong chất lỏng giảm, do đó chất lỏng bị hút vào bơm Khi cánh gạt di chuyển từ mặt cắt C – C đến B, nó làm giảm thể tích chứa chất lỏng, do đó làm tăng áp suất và đầy chất lỏng vào ống đẩy

B A

II I

4

C

Hình 4-14 Kết cấu bơm cánh gạt tác dụng đơn.

1- Vỏ bơm; 2- Rôto; 3- Cánh gạt; 4- Lò xo.

Để chất lỏng không chảy ngược từ bọng đẩy về bọng hút và không bị “chẹt” trong các thể tích làm việc thì vị trí của cánh gạt và rôto phải bố trí sao cho khi cánh gạt này bắt đầu gạt chất lỏng (ở vị trí I) thì cánh gạt kia cũng thôi không gạt chất lỏng nữa (vị trí II)

Hình 4-15 Bơm cánh gạt tác dụng kép.

1- Cánh gạt; 2- Rôto; 3- Stato; a- Cửa hút; b- Cửa đẩy.

Để giảm bớt tải trọng lên ổ trục và nâng cao áp suất làm việc, người ta dùng bơm cánh gạt tác dụng kép Trong một chu kỳ làm việc, bơm thực hiện hai lần hút

và hai lần đẩy nên gọi là bơm tác dụng kép Vì các bọng hút và các bọng đẩy bố trí đối xứng nhau qua tâm nên giảm được tải trọng lên trục rôto rất nhiều

Bơm rôto cánh gạt có áp suất làm việc tương đối thấp và phạm vi sử dụng hẹp hơn bơm bánh răng Thường đối với bơm tác dụng đơn, áp suất làm việc không quá 5MPa, lưu lượng từ 5 ÷ 150 l/s, số vòng quay n = 1000 ÷ 2000vg/ph Đối với bơm tác dụng kép, áp suất làm việc cao hơn nhưng không quá 7MPa, lưu lượng từ 5 ÷ 200 l/s

Hiệu suất của bơm cánh gạt tương đối thấp, η = 0,5 ÷ 0,8

Nhưng bơm có ưu điểm là kết cấu nhỏ gọn và đơn giản, có khả năng điều chỉnh được lưu lượng nên thường được dùng nhiều trong các đường ống phụ của truyền động thủy lực để cấp dầu trong hệ thống bôi trơn

Thường hiệu suất của bơm cánh gạt: ηQ =0,8÷0,9

*) Điều chỉnh lưu lượng.

b

1

2

3 a

ω

Hình 4-16 Nguyên tắc điều chỉnh lưu lượng bơm cánh gạt tác dụng đơn.

a) Nguyên ký và ký hiệu; b) Điều chỉnh bằng lò xo; c) Điều chỉnh bằng thủy lực 1- Rôto; 2- Stato; 3- Bulông điều chỉnh; 4- Lò xo; 5- piston điều chỉnh.

Một ưu điểm của bơm cánh gạt tác dụng đơn là có thể điều chỉnh được lưu lượng khi số vòng quay làm việc của rôto không đổi

Tương tự như bơm piston rôto hướng kính, lưu lượng của bơm cánh gạt có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi trị số của độ lệch tâm e Ngoài ra, nếu thay đổi dấu của e thì có thể đảo chiều làm việc của bơm

Ta thấy rằng lưu lượng của bơm cánh gạt của bơm tác dụng kép không đổi, đó là một ưu điểm nổi bật của bơm tác dụng kép và các bơm thể tích khác Nhưng khác với bơm tác dụng đơn là không điều chỉnh được lưu lượng, vì không có độ lệch tâm giữa rôto và vỏ bơm

b) Động cơ thủy lực cánh gạt.

Động cơ thuỷ lực cánh gạt có kết cấu như bơm cánh gạt Tương tự như các máy rôto khác (piston rôto, bánh răng,….) trong nhiều trường hợp bơm và động cơ

là một, tức là máy có thể làm việc thuận ngịch

Do đó, tính chất làm việc và các công thức tính toán về lưu lượng và mômen quay, lực tác dụng v.v…của các loại động cơ cánh gạt cũng giống như các loại bơm cánh gạt tương ứng đã giới thiệu ở phần trên

- Số vòng quay làm việc của động cơ: ta có thể suy ra từ các công thức tính lưu lượng của bơm Nếu ta có lưu lượng (từ nguồn vào động cơ là Q thì số vòng quay

c)

1

2

1 a)

3

2

Vùng hútVùng nén

5

lệch tâm dầu

+ Đối với động cơ tác dụng đơn, ta có: e b( Z)

Q n

2

30

η

cos

.

30

1 2 2

1

2 2

r r Z r

r b

Q n

Q

Số vòng quay làm việc của động cơ thuỷ lực tác dụng đơn có thể điều chỉnh vô

cấp bằng độ lệch tâm e Nhưng không điều chỉnh được số vòng quay làm việc của động cơ tác dụng kép bằng cách này (vì không có độ lệch tâm) Khi cần thiết phải điều chỉnh số vòng quay làm việc của động cơ cánh gạt tác dụng kép thì người ta phải điều chỉnh lưu lượng vào động cơ (điều chỉnh bằng khoá) Để đảm bảo sự tiếp xúc ban đầu của cánh gạt với thành vỏ động cơ, trong một số động cơ ở các đáy rãnh rôto người ta đặt các lò xo

Động cơ thuỷ lực cánh gạt dùng truyền động thuỷ lực thường có số vòng quay

n = 100 – 200 vg/ph với mômen quay có thể tới 15000Nm Nhưng đối với động cơ thuỷ lực dùng trong tàu thuỷ, trong các máy mỏ, máy vận chuyển, hoặc các thiết bị luyện kim, để kéo các trục tải băng truyền, thì mômen làm việc của động cơ lớn hơn nhiều Có thể tới 5000 Nm với số vòng vòng quay tương đối nhỏ n = 50 ÷ 100vg/ph

4.4.4 Bơm và động cơ thủy lực trục vít.

a) Giới thiệu chung.

Trong những năm gần đây bơm và động cơ trục vít được sử dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là trong hệ thống truyền động thuỷ lực Sở dĩ như vậy là động cơ thuỷ lực trục vít có những ưu điểm cơ bản sau đây:

- Lưu lượng điều hoà, ít dao động hơn lưu lượng của các máy thuỷ lực bánh răng,

kể cả bánh răng nghiêng

- Hiệu suất tương đối cao

- Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, làm việc tin cậy và không ồn

- Có thể làm việc với số vòng quay lớn và áp suất cao

Người ta đã sản suất bơm trục vít có số vòng quay n = 18000vg/ph và làm việc với áp suất 20MPa

- Mô men quán tính nhỏ nhất, so với tất cả các loại máy thuỷ lực có thể tích khác cùng công suất Do đó máy làm việc có độ nhạy cao

- Phạm vi sử dụng rộng rãi: Q = 1 ÷ 12000 l/ph, N = 1 ÷ 1500kW

Bộ phận làm việc chủ yếu của máy thuỷ lực trục vít gồm có hai hoặc ba trục vít ăn khớp với nhau đặt trong vỏ máy cố định có lõi dẫn chất lỏng vào và ra Khe

hở giữa trục vít và vỏ máy rất nhỏ Trục vít thường có hai mối ren và biên dạng ren thường có ba loại: ren chữ nhật, hình thang và xicloit

Cũng như các máy thuỷ lực rôto khác, bơm và động cơ trục vít có kết cấu giống nhau và có thể làm việc thuận nghịch

b) Bơm hai trục vít.

Đối với bơm trục vít, ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu suất của bơm là tổn thất lưu lượng trong bơm Nguyên nhân của tổn thất lưu lượng là sự chảy rò chất lỏng từ bọng đẩy về bọng hút qua các khe hở không thể tránh khỏi:

- Khe hở giửa các trục vít với vỏ bơm

- Khe hở giữa các mặt ren và giữa đỉnh ren với chân ren

Để hạn chế tổn thất lưu lượng trong bơm hai trục vít người ta thường dùng hai cách:

- Tăng số bước ren của mối ren trên trục vít, tức là tăng chiều dài làm việc của trục vít

- Giảm chiều dài bước ren tức là giảm góc nâng của mối ren

Hình 4-17 Sơ đồ cấu tạo bơm hai trục vít.

1- Vỏ bơm; 2- Trục vít bị động; 3- Trục vít chủ động; a- Cửa hút; b- Cửa đẩy.

Để khắc phục sự tự hãm của các mặt ren (khi có góc nâng nhỏ), người ta đặt thêm bộ truyền bánh ở đầu các trục vít để làm nhiệm vụ hỗ trợ truyền động giữa hai trục vít