ß ßß ß1 . TruyÒn ®éng thñy lùc 1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i : Muèn truyÒn c¬ n¨ng tõ bé phËn dÉn ®éng ®Õn bé phËn lµm viÖc cña c¸c m¸y, ngoµi c¸c lo¹i truyÒn ®éng c¬ khÝ, ®iÖn,khÝ nÐn cßn cã truyÒn ®éng thuû lùc, lo¹i nµy ®¸p øng ®−îc yªu cÇu lµ ªm, æn ®Þnh, dÔ tù ®éng ho¸... Tuú vµo lo¹i m¸y thuû lùc sö dông trong truyÒn ®éng mµ ph©n lo¹i thµnh truyÒn ®éng thñy ®éng vµ truyÒn ®éng thñy tÜnh (thÓ tÝch), cã ®Æc ®iÓm sö dông vµ ph¹m vi lµm viÖc kh¸c nhau. ¦u ®iÓm : DÔ thùc hiÖn viÖc ®iÒu chØnh v« cÊp vµ tù ®éng ®iÒu chØnh vËn tèc chuyÓn ®éng cña bé phËn lµm viÖc. DÔ dµng ®¶o chiÒu bé phËn lµm viÖc. §¶m b¶o cho m¸y lµm viÖc æn ®Þnh, kh«ng phô thuéc vµo sù thay ®æi t¶i träng ngoµi. TruyÒn ®−îc c«ng suÊt lµm viÖc lín. KÕt cÊu gän nhÑ, cã qu¸n tÝnh nhá do träng l−îng trªn mét ®¬n vÞ c«ng suÊt truyÒn ®éng nhá, ®iÒu nµy cã ý nghÜa lín trong c¸c hÖ thèng tù ®éng. ChÊt láng lµm viÖc chñ yÕu lµ dÇu kho¸ng nªn dÔ cã ®iÒu kiÖn b«i tr¬n tèt c¸c chi tiÕt, do ®ã truyÒn chuyÓn ®éng ªm, kh«ng ån. Cã thÓ ®Ò phßng sù cè khi qu¸ t¶i. Nh−îc ®iÓm: VËn tèc truyÒn ®éng h¹n chÕ do ®iÒu kiÖn chèng x©m thùc, ®Ò phßng va ®Ëp thñy lùc, do tæn thÊt cét ¸p ... Lµm viÖc víi chÊt láng do ®ã ph¶i b¶o ®¶m ®iÒu kiÖn lµm kÝn, chÊt láng dÔ bÞ rß rØ, kh«ng khÝ lät vµo truyÒn ®éng. V× vËy kÕt cÊu phøc t¹p , khã chÕ t¹o . Yªu cÇu vÒ chÊt láng lµm viÖc kh¸ phøc t¹p: + §é nhít (yªu cÇu rß rØ Ýt, thÊt n¨ng l−îng nhá). + TÝnh chÊt dÇu Ýt thay ®æi theo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. + TÝnh chÊt ho¸ häc bÒn v÷ng. + Khã ch¸y, Ýt hoµ tan víi c¸c chÊt kh¸c, kh«ng ¨n mßn kim lo¹i. + Th−êng lµm viÖc víi dÇu kho¸ng lµ chÊt láng dÔ ch¸y nªn ph¶i chó ý lµm m¸t m¸y. TruyÒn ®éng thuû lùc do cã nhiÒu −u ®iÓm nªn ®−îc sö dông ngµy cµng nhiÒu trong c«ng nghiÖp. §Ó kh¾c phôc nh÷ng nh−îc ®iÓm cña truyÒn ®éng thñy lùc, hiÖn nay ng−êi ta dïng c¸c lo¹i truyÒn ®éng liªn hîp nh− truyÒn ®éng thñyc¬, ®iÖnthuûc¬ , thñykhÝc¬ ... Trong ch−¬ng nµy tr×nh bµy lo¹i truyÒn ®éng thñy ®éng . I. S¬ ®å kÕt cÊu vµ nguyªn lý lµm viÖc cña truyÒn ®éng thuû ®éng: TruyÒn ®éng thuû ®éng lµ mét thiÕt bÞ tæ hîp, chñ yÕu gåm hai m¸y thuû lùc c¸nh dÉn lµ b¬m ly t©m vµ turbine thuû lùc, ®−îc sö dông réng r·i trong viÖc truyÒn c«ng suÊt lín víi vËn tèc cao trong c¸c ngµnh m¸y vËn chuyÓn (« t«, m¸y kÐo, xe t¨ng, tµu thuû, tµu ho¶). VÝ dô: truyÒn c«ng suÊt lín tõ ®éng c¬ ®Õn ch©n vÞt tµu thuû. Ph©n lo¹i : 1. Khíp nèi thuû lùc: lµ kÕt cÊu ®¬n gi¶n nhÊt cña truyÒn ®éng thuû ®éng, truyÒn momen quay tõ trôc dÉn (1) ®Õn trôc bÞ dÉn (2) mµ kh«ng thay ®æi momen ®ã. V× dïng m«i tr−êng chÊt láng lµ kh©u trung gian nªn coi ®©y lµ nèi mÒm c¸c trôc. 2 S¬ ®å bao gåm: B¸nh b¬m (1) l¾p cè ®Þnh trªn trôc dÉn (5) nèi víi ®éng c¬ dÉn ®éng. B¸nh tuabin (2) l¾p cè ®Þnh trªn trôc bÞ dÉn (4) Vá (3) cña khíp nèi nèi víi b¸nh b¬m vµ l¾p lång kh«ng trªn trôc bÞ dÉn t¹o thµnh buång lµm viÖc chøa chÊt láng. Hai trôc dÉn vµ bÞ dÉn t¸ch rêi nhau, vá (3) cã thÓ quay lång kh«ng trªn trôc (4). Khi trôc dÉn (5) quay kÐo b¸nh b¬m (1) quay theo => chÊt láng ®−îc cung cÊp n¨ng l−îng vµ chuyÓn ®éng theo h−íng ly t©m ra khái b¸nh b¬m. Sau ®ã chÊt láng ®i vµo b¸nh turbine (2), qua c¸c r·nh dÉn gi÷a c¸c c¸nh vµ truyÒn n¨ng l−îng cho b¸nh tuabin lµm cho b¸nh TB quay cïng chiÒu víi b¸nh b¬m . Nh− vËy momen quay ®· truyÒn tõ trôc dÉn (5) ®Õn trôc bÞ dÉn (4), chÊt láng sau khi ra khái b¸nh turbine l¹i ®i vµo b¸nh b¬m thùc hiÖn qu¸ tr×nh tiÕp theo. Mçi phÇn tö chÊt láng thùc hiÖn ®ång thêi 2 chuyÓn ®éng : TuÇn hoµn theo ph−¬ng tõ b¸nh b¬m (1) ®Õn turbine (2). Quay vßng quanh trôc cña khíp nèi. ⇒ ⇒⇒ ⇒ ChuyÓn ®éng tæng hîp lµ chuyÓn ®éng xo¾n èc. 2. BiÕn tèc thuû lùc: Sö dông khi cÇn biÕn ®æi momen quay gi÷a trôc dÉn vµ trôc bÞ dÉn, th−êng ®−îc dïng ®Ó t¨ng momen quay cña trôc bÞ dÉn v× sè vßng quay cña trôc bÞ dÉn th−êng nhá h¬n sè vßng quay cña trôc dÉn, khi ®ã biÕn tèc thuû lùc ®ãng vai trß mét hép gi¶m tèc. KÕt cÊu bao gåm: B¸nh b¬m (1) l¾p cè ®Þnh trªn trôc dÉn (4) . B¸nh turbine (3) l¾p cè ®Þnh trªn trôc bÞ dÉn (6) . Bé phËn dÉn h−íng hay b¸nh ph¶n øng l¾p cè ®Þnh. Vá chøa chÊt láng t¹o thµnh buång lµm viÖc cña biÕn tèc thuû lùc. Nguyªn lý lµm viÖc : B¸nh ph¶n øng (bé phËn dÉn h−íng ) cã t¸c dông: Thay ®æi h−íng dßng ch¶y cho phï hîp víi lèi vµo cña m¸ng dÉn b¸nh c«ng t¸c tiÕp theo (tr¸nh va ®Ëp) nhê gãc ®Æt c¸nh dÉn hîp lý. Thay ®æi trÞ sè vËn tèc cña dßng ch¶y cho phï hîp víi yªu cÇu ë lèi vµo b¸nh c«ng t¸c ®Æt tiÕp sau nã. XÐt s¬ ®å: B¥M > B¸NH PH¶N øNG > TUA BIN ChÊt láng tõ b¸nh b¬m ®i vµo b¸nh ph¶n øng truyÒn cho BP¦ mét momen quay, nh−ng do b¸nh ®ã cè ®Þnh víi vá (kh«ng quay) nªn BP¦ truyÒn l¹i cho chÊt láng mét momen ®éng l−îng (moment ph¶n øng) vµ chÊt láng tiÕp tôc ®i vµo b¸nh turbine lµm tuabin quay. NÕu b¸nh ph¶n øng kh«ng g¾n víi vá cè ®Þnh nghÜa lµ cã thÓ quay tù do th× momen quay sÏ kh«ng ®æi khi truyÒn tõ trôc dÉn ®Õn trôc bÞ dÉn. Khi ®ã biÕn tèc thuû lùc lµm viÖc nh− mét khíp nèi thuû lùc. Nh− vËy dßng chÊt láng do b¬m t¹o nªn lÇn l−ît ®i qua c¸c m¸ng dÉn cña b¸nh ph¶n øng vµ b¸nh turbine, kÐo b¸nh tuabin quay víi vËn tèc gãc vµ moment thay ®æi tuú theo trÞ sè momen c¶n t¸c dông lªn b¸nh 2 3 turbine: tÝnh chÊt tù ®éng thay ®æi v« cÊp vËn tèc quay cña trôc bÞ dÉn tuú
1 ò òò ò1 . Truyền động thủy lực 1. Khái niệm và phân loại : Muốn truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận làm việc của các máy, ngoài các loại truyền động cơ khí, điện,khí nén còn có truyền động thuỷ lực, loại này đáp ứng đợc yêu cầu là êm, ổn định, dễ tự động hoá Tuỳ vào loại máy thuỷ lực sử dụng trong truyền động mà phân loại thành truyền động thủy động và truyền động thủy tĩnh (thể tích), có đặc điểm sử dụng và phạm vi làm việc khác nhau. Ưu điểm : - Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động điều chỉnh vận tốc chuyển động của bộ phận làm việc. - Dễ dàng đảo chiều bộ phận làm việc. - Đảm bảo cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi tải trọng ngoài. - Truyền đợc công suất làm việc lớn. - Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ do trọng lợng trên một đơn vị công suất truyền động nhỏ, điều này có ý nghĩa lớn trong các hệ thống tự động. - Chất lỏng làm việc chủ yếu là dầu khoáng nên dễ có điều kiện bôi trơn tốt các chi tiết, do đó truyền chuyển động êm, không ồn. - Có thể đề phòng sự cố khi quá tải. Nhợc điểm: - Vận tốc truyền động hạn chế do điều kiện chống xâm thực, đề phòng va đập thủy lực, do tổn thất cột áp - Làm việc với chất lỏng do đó phải bảo đảm điều kiện làm kín, chất lỏng dễ bị rò rỉ, không khí lọt vào truyền động. Vì vậy kết cấu phức tạp , khó chế tạo . - Yêu cầu về chất lỏng làm việc khá phức tạp: + Độ nhớt (yêu cầu rò rỉ ít, thất năng lợng nhỏ). + Tính chất dầu ít thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. + Tính chất hoá học bền vững. + Khó cháy, ít hoà tan với các chất khác, không ăn mòn kim loại. + Thờng làm việc với dầu khoáng là chất lỏng dễ cháy nên phải chú ý làm mát máy. Truyền động thuỷ lực do có nhiều u điểm nên đợc sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp. Để khắc phục những nhợc điểm của truyền động thủy lực, hiện nay ngời ta dùng các loại truyền động liên hợp nh truyền động thủy-cơ, điện-thuỷ-cơ , thủy-khí-cơ Trong chơng này trình bày loại truyền động thủy động . I. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của truyền động thuỷ động: Truyền động thuỷ động là một thiết bị tổ hợp, chủ yếu gồm hai máy thuỷ lực cánh dẫn là bơm ly tâm và turbine thuỷ lực, đợc sử dụng rộng rãi trong việc truyền công suất lớn với vận tốc cao trong các ngành máy vận chuyển (ô tô, máy kéo, xe tăng, tàu thuỷ, tàu hoả). Ví dụ: truyền công suất lớn từ động cơ đến chân vịt tàu thuỷ. Phân loại : 1. Khớp nối thuỷ lực: là kết cấu đơn giản nhất của truyền động thuỷ động, truyền momen quay từ trục dẫn (1) đến trục bị dẫn (2) mà không thay đổi momen đó. Vì dùng môi trờng chất lỏng là khâu trung gian nên coi đây là nối mềm các trục. 2 Sơ đồ bao gồm: - Bánh bơm (1) lắp cố định trên trục dẫn (5) nối với động cơ dẫn động. - Bánh tuabin (2) lắp cố định trên trục bị dẫn (4) - Vỏ (3) của khớp nối nối với bánh bơm và lắp lồng không trên trục bị dẫn tạo thành buồng làm việc chứa chất lỏng. Hai trục dẫn và bị dẫn tách rời nhau, vỏ (3) có thể quay lồng không trên trục (4). Khi trục dẫn (5) quay kéo bánh bơm (1) quay theo => chất lỏng đợc cung cấp năng lợng và chuyển động theo hớng ly tâm ra khỏi bánh bơm. Sau đó chất lỏng đi vào bánh turbine (2), qua các rãnh dẫn giữa các cánh và truyền năng lợng cho bánh tuabin làm cho bánh TB quay cùng chiều với bánh bơm . Nh vậy momen quay đã truyền từ trục dẫn (5) đến trục bị dẫn (4), chất lỏng sau khi ra khỏi bánh turbine lại đi vào bánh bơm thực hiện quá trình tiếp theo. Mỗi phần tử chất lỏng thực hiện đồng thời 2 chuyển động : - Tuần hoàn theo phơng từ bánh bơm (1) đến turbine (2). - Quay vòng quanh trục của khớp nối. Chuyển động tổng hợp là chuyển động xoắn ốc. 2. Biến tốc thuỷ lực: Sử dụng khi cần biến đổi momen quay giữa trục dẫn và trục bị dẫn, thờng đợc dùng để tăng momen quay của trục bị dẫn vì số vòng quay của trục bị dẫn thờng nhỏ hơn số vòng quay của trục dẫn, khi đó biến tốc thuỷ lực đóng vai trò một hộp giảm tốc. Kết cấu bao gồm: - Bánh bơm (1) lắp cố định trên trục dẫn (4) . - Bánh turbine (3) lắp cố định trên trục bị dẫn (6) . - Bộ phận dẫn hớng hay bánh phản ứng lắp cố định. Vỏ chứa chất lỏng tạo thành buồng làm việc của biến tốc thuỷ lực. Nguyên lý làm việc : Bánh phản ứng (bộ phận dẫn hớng ) có tác dụng: - Thay đổi hớng dòng chảy cho phù hợp với lối vào của máng dẫn bánh công tác tiếp theo (tránh va đập) nhờ góc đặt cánh dẫn hợp lý. - Thay đổi trị số vận tốc của dòng chảy cho phù hợp với yêu cầu ở lối vào bánh công tác đặt tiếp sau nó. Xét sơ đồ: BƠM -> BáNH PHảN ứNG -> TUA BIN Chất lỏng từ bánh bơm đi vào bánh phản ứng truyền cho BPƯ một momen quay, nhng do bánh đó cố định với vỏ (không quay) nên BPƯ truyền lại cho chất lỏng một momen động lợng (moment phản ứng) và chất lỏng tiếp tục đi vào bánh turbine làm tuabin quay. Nếu bánh phản ứng không gắn với vỏ cố định nghĩa là có thể quay tự do thì momen quay sẽ không đổi khi truyền từ trục dẫn đến trục bị dẫn. Khi đó biến tốc thuỷ lực làm việc nh một khớp nối thuỷ lực. Nh vậy dòng chất lỏng do bơm tạo nên lần lợt đi qua các máng dẫn của bánh phản ứng và bánh turbine, kéo bánh tuabin quay với vận tốc góc và moment thay đổi tuỳ theo trị số momen cản tác dụng lên bánh 2 3 turbine: tính chất tự động thay đổi vô cấp vận tốc quay của trục bị dẫn tuỳ theo phụ tải tác dụng lên trục. II . Các thông số làm việc của truyền động thuỷ động: 1. Các thông số cơ bản: a. Công suất trên trục dẫn (trục bánh bơm): PB B trB QH N = Q : lu lợng chất lỏng chảy từ bánh bơm đến bánh turbine H B : cột áp do bánh bơm tạo ra B : hiệu suất của bánh bơm P :hiệu suất của bánh phản ứng (nếu có) :trọng lợng riêng của chất lỏng làm việc b. Công suất làm việc trên trục bị dẫn : N trT = .Q.H B . T = N trB . B . P . T = N trB . T :hiệu suất của bánh turbine :hiệu suất toàn phần của truyền động thuỷ động . CKHQTPB trB trT N N === c. Tỉ số truyền i của truyền động thuỷ động: là tỉ số giữa số vòng quay trục bị dẫn với số vòng quay của trục dẫn. B T n n i = d. Hệ số biến tốc K (hệ số biến đổi momen) : B T M M K = Mà : tr N N M M = = in n N N K T B trB trT == =K.i 2. Các phơng trình cơ bản của truyền động thuỷ động : a. Phơng trình moment : Hình 7.5 - Đối với bánh bơm: )DCDC(Q 2 1 M 1u12u2B = ; M B > 0 - Đối với bánh turbine: M T < 0 )DCDC(Q 2 1 M 3u34u4T = - Đối với bánh phản ứng: )DCDC(Q 2 1 M 5u56u6P = M P có thể dơng hay âm tuỳ theo hớng tác dụng của nó trùng với hớng tác dụng của Moment bánh bơm hoặc ngợc lại. Cộng đại số : 2 2 1 1 4 4 3 3 6 6 5 5 1 ( ) 2 B T P u u u u u u M M M Q C D C D C D C D C D C D + + = + + Muốn có hiệu suất cao thì các bánh bố trí rất sát nhau nên không có sự thay đổi momen động lợng trong khe hở giữa các bánh momen động lợng = const khi qua khe hở. Kết luận : M B + M T + M P =0 : Tổng đại số các momen quay trong truyền động thuỷ động bằng 0. b. Phơng trình công suất và cột áp: 4 Tại chế độ ổn định công suất của bánh bơm N B truyền phần lớn cho trục bị dẫn N T . Phần công suất còn lại dùng để khắc phục sức cản do chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc của truyền động thuỷ động. N B = N T + N w (khi bánh phản ứng cố định) N B = QH B : công suất thuỷ lực do bơm cung cấp cho CL N T = QH T : công suất thuỷ lực do CL cung cấp cho bánh turbine N w = Qh w : công suất tiêu hao do tổn thất. Vậy H B = H T + h w : Hiệu số cột áp của bánh bơm và bánh turbine hoàn toàn dùng để khắc phục tổn thất thuỷ lực trong buồng làm việc của truyền động thuỷ động. Tổn thất này gồm: h W = h B + h T + h PU Những tổn thất này do: - Sự thay đổi đột ngột hớng chuyển động của dòng chảy nhất là ở lối vào các bánh ( tách dòng xoáy + va đập ). - Ma sát ở bề mặt các máng dẫn. - Tổn thất do sự thay đổi vận tốc dòng chảy (ở phần thu hẹp mặt cắt dòng chảy trong các máng dẫn). Các dạng năng lợng tổn thất này biến thành nhiệt năng làm nóng bộ truyền chất lỏng có thể bị phân huỷ và bốc cháy, do đó phải chú ý đến vấn đề làm mát. Hiện nay hiệu suất của KNTL có thể đạt đợc đến 98% và trong BTTL là 90%, với liên hợp thuỷ cơ có thể đạt đợc đến 95%. ò òò ò2 . Khớp nối thuỷ lực: I. Đặc điểm, tính chất và các thông số của KNTL 1. Đặc điểm: KNTL chỉ truyền momen quay của động cơ mà không thay đổi trị số momen. Vì không có bánh phản ứng nên từ phơng trình cân bằng momen: M B + M T =0 M B = - M T Điều này phù hợp với nguyên lý tác dụng và phản tác dụng của Newton. Khi phụ tải thay đổi thì momen cản trên trục bị dẫn thay đổi (tăng) thì số vòng quay của bánh turbine sẽ thay đổi theo (giảm), chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc sẽ thay đổi dẫn đến sự thay đổi của momen quay của turbine (tăng) sao cho cân bằng với trị số momen cản của phụ tải moment bánh bơm cũng thay đổi. Vì vậy khớp nối thuỷ lực là loại truyền động tự động. Ví dụ: M cản tăng số vòng quay của tuabin giảm moment trên trục tuabin tăng lên phù hợp với phụ tải. Sở dĩ T n giảm M T tăng là do 2 nguyên nhân sau : - Lu lợng tuần hoàn qua bánh công tác tăng vì lực ly tâm của turbine giảm chất lỏng đi vào turbine nhiều hơn . - Sự thay đổi góc độ của dòng chảy ở lối vào và lối ra của turbine làm tăng áp lực của chất lỏng lên cánh . Do có tổn thất trong quá trình chuyển động của chất lỏng từ bánh bơm đến bánh turbine nên N T < N B , mà M T = M B nên n T luôn luôn nhỏ thua n B Tỉ số truyền: 1 n n i B T <= Hệ số trợt của KNTL: là hiệu số giữa số vòng quay giữa bánh bơm và bánh turbine chia cho số vòng quay của bánh bơm. i1 n nn S B TB = = Hiệu suất của KNTL: i n n n n M M N N B T B T B T B T ==== (Vì 1 M M B T = ) Nhận xét : 5 Khi hệ số trợt S = 0 tức là số vòng quay của bánh bơm và bánh turbine là nh nhau thì áp suất do lực ly tâm ở cửa ra của bánh bơm và cửa vào của bánh turbine là nh nhau nên chất lỏng sẽ không thể có chuyển động tơng đối từ bánh bơm đến bánh turbine đợc. Khi đó chất lỏng sẽ quay cùng với khớp nối nh một vật rắn. LƯU LƯợNG chuyển động trong khớp nối thuỷ lực bằng 0 và momen M=0. Vậy khớp nối thuỷ lực chỉ truyền đợc N và M khi n T <n B hay s0. Tại chế độ làm việc bình thờng : s = (2 ữ ữữ ữ 3)% ; = 1 - s = (0,98 ữ ữữ ữ 0,97) Khi n T càng nhỏ hơn n B ( S càng lớn ) thì lu lợng qua khớp nối càng lớn, Q max khi S = 100% tức là n T = 0 toàn bộ năng lợng của chất lỏng trong bơm dùng để khắc phục tổn thất của dòng chảy tuần hoàn trong khớp nối thuỷ lực. Kóỳt luỏỷn vóử tờnh chỏỳt cuớa khồùp nọỳi thuyớ lổỷc : Trục dẫn và trục bị dẫn quay độc lập với nhau; n T có thể bằng 0; số vòng quay lớn nhất cuả trục bị dẫn phải nhỏ thua số vòng trục dẫn (2 ữ 3)% - Khởi động và tăng tốc êm (thông qua trung gian là chất lỏng). - Các chi tiết làm việc chủ yếu ít bị mài mòn vì không trực tiếp tiếp xúc nhau. - Hạn chế sự xoắn trục (vì có thể tự động điều chỉnh M B phù hợp với M cản ). - Truyền động không ồn. - Có thể đạt hiệu suất cao (0,97 ữ ữữ ữ 0,98). - Có thể sử dụng trong tự động hoá và điều khiển từ xa. Phaỷm vi sổớ duỷng : Điều chỉnh số vòng quay trục bị dẫn khi số vòng quay trục dẫn không thay đổi. - Dùng cho các máy có momen khởi động lớn (có thể đến 30000KW) - Hợp công suất và đảo chiều các máy. Ví dụ: Hợp công suất hai động cơ cùng kéo một chân vịt tàu thuỷ và điều khiển tàu chạy lùi. II. Tính toán một số thông số của khớp nối thuỷ lực: 1. Tính momen: Xuất phát từ luật tơng tự trong máy thuỷ lực cánh dẫn, ta tính đợc momen quay truyền bởi khớp nối thuỷ lực: 2 B 5 MTB nDMM TL == - D : Đờng kính lớn nhất của khớp nối thuỷ lực, cần chọn D thế nào để khi khớp nối thuỷ lực truyền momen quay M theo số vòng quay n tơng ứng với công suất cực đại của động cơ thì hệ số trợt s vào khoảng (2 3)%. - M TL : Hệ số momen thuỷ lực, phụ thuộc vào kích thớc tơng đối của khớp nối thuỷ lực và tỉ số truyền i. Công thức gần đúng để tính M TL là : ( ) 2 3 2 2 1 2 2 1 2 5 2 0 2 2 5 M r r 1 r r s11 R r 1 30 8 g 1 TL = Trong đó : - g : Gia tốc trọng trờng . - r 0 , r 1 , r 2 , R : Các bán kính của khớp nối (hình 7.6). - B2 m r C = : Hệ số vận tốc (vận tốc hớng kính không thứ nguyên). - s : Hệ số trợt. 2. Tính công suất của khớp nối thuỷ lực: 3 B 5 Nmax nDN TL = 6 Vì 3 B 5 MBBxma nD 30 MN TL == TLTL MN 30 = M TL và N TL đợc xác định dựa vào kết quả thực nghiệm qua đồ thị M TL =f(i) hay f(s) . Từ các thông số trên , nếu cho trớc các thông số N N , N ,n N của KNTL nguyên hình và biết các thông số N M , M , n M , D M thì có thể tính đợc đờng kính lớn nhất của khớp nối thuỷ lực nguyên hình (thực) D N . D N cũng đợc xác định theo công thức : 5 1 3 BN max n N D TL = 3. Tính số cánh dẫn Z : a) Đối với bánh bơm : Xác định theo công thức thực nghiệm: Hình 7.7 - Đối với khớp nối thuỷ lực mà bánh công tác có vành trong: Z B =1,39.D 0,52 - Đối với KNTL mà bánh công tác không có vành trong: Z B =8,65.D 0,279 D : Đờng kính lớn nhất tính bằng mm. b) Đối với bánh turbine : Z T thờng lệch với Z B vài cánh để tránh sự trùng pha va đập. III . Đờng đặc tính của KNTL: Các đờng đặc tính thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện các kết quả tính toán , đánh giá tính năng làm việc và sự tiện lợi trong quá trình sử dụng. Trong truyền động thuỷ động, ngời ta gọi các thông số dùng trong tính toán thiết kế nh H, Q, n B là thông số trong ; còn các thông số để đặt hàng, chọn, sử dụng máy nh N , M , và n T là thông số ngoài. 1. Đờng đặc tính ngoài: Đây là đờng biểu thị mối quan hệ giữa các thông số ngoài. Nó biểu diễn mối quan hệ giữa momen quay M, công suất N B , N T , hiệu suất với n T khi n B =const. Đờng này đợc xây dựng bằng thực nghiệm. 1) Chế độ không tải : M B = M T = 0 ; s = 0 ; n B = n T ; N B = N T = 0 ; = 0 2) Chế độ tính toán : max = 0,95 ữ 0,98 3) Chế độ hãm : (TBin đứng yên): M max; N Bmax ; N T = 0 ; n T = 0 Khi đó toàn bộ công suất bộ truyền biến thành nhiệt năng Ví dụ : Ô tô dùng khớp nối thuỷ lực để truyền động. - Ô tô dừng : Động cơ làm việc, cắt ly hợp khớp nối ở chế độ không tải. - Ô tô chuyển động với v max Khớp nối thuỷ lực ở chế độ tính toán max . - Ô tô lên dốc: Làm việc giữa điểm 2 và 3. - Ô tô trợt trong bùn: Bánh không quay, động cơ làm việc với Moment cản cực đại, khớp nối làm việc ở chế độ hãm. Nhận xét : - Khi n T tăng từ 0 đến n B thì M giảm công suất trên trục chủ động N B giảm (vì N B = M. B ; mà B =const). - Khi n T =0 và n T =n B thì N T = 0 ; trong khoảng giữa 2 trị số này T N có giá trị cực đại . - Đờng là đờng thẳng vì : B T n n i == Khi n T n B thì N T 0, momen quay chỉ đủ thắng momen cản do ma sát và hiệu suất về giá trị 0 chứ không thể lên giá trị 1. 2 . Đờng đặc tính tổng hợp : 7 Trong thực tế khớp nối có thể làm việc với những động cơ có số vòng quay thay đổi (n B =var) => sử dụng đờng đặc tính tổng hợp, biểu diễn quan hệ giữa M với n T khi n B thay đổi , ngoài ra còn có những đờng cong biểu diễn sự thay đổi M với các giá trị hiệu suất là nh nhau (đờng đồng hiệu suất). 3 . Đờng đặc tính qui dẫn : Dùng để so sánh các khớp nối có kết cấu, kích thớc, chất lỏng làm việc khác nhau. Đờng này xây dựng trên cơ sở giá trị thực nghiệm và dựa theo công thức tơng tự, với các đại lợng quy dẫn sau: D = 1 m n B =1v/ph =1N/m 3 Khi đó ta có: M= M TL = M Nh vậy M là momen của khớp nối quy dẫn (mô hình) tơng tự với khớp nối nguyên hình, khớp nối thuỷ lực mô hình có các thông số đã nêu trên. M = f(i) đặc trng cho momen quay của một loạt khớp nối tơng tự với khớp nối thuỷ lực mô hình đợc chọn . B T n n i = Vì n B =1 v/ph nên i = n T Nếu có khớp nối thuỷ lực có cùng dạng kết cấu và hệ thống cánh dẫn nhng làm việc với chất lỏng khác nhau thì đặc tính qui dẫn sẽ khác nhau. Khảo sát đờng đặc tính qui dẫn ứng với hai trờng hợp : chất lỏng chứa đầy hoặc không đầy buồng làm việc của khớp nối thuỷ lực . - Chứa đầy: Khi thể tích chất lỏng chiếm khoảng 90% thể tích buồng làm việc (đã khảo sát). - Chứa không đầy: Khi thể tích chất lỏng nhỏ hơn 90% thể tích buồng làm việc. Đờng đặc tính trong trờng hợp chứa không đầy sẽ cho thấy đờng M bị uốn gập cục bộ và không liên tục , do đó xuất hiện vùng làm việc không ổn định ( M dao động đột ngột ) . Giải thích : Khi chất lỏng không đầy nó có thể chuyển động trong buồng làm việc theo 2 trạng thái : - Chuyển động theo vòng khép kín nhỏ khi chất lỏng chảy vào bánh bơm với bán kính lớn . - Chuyển động theo vòng khép kín lớn khi chất lỏng chảy vào bánh bơm với bán kính nhỏ nhất .(hình 7.13) Sự biến đổi trạng thái chuyển động từ vòng khép kín nhỏ sang vòng khép kín lớn diễn ra đột ngột làm momen quay tăng vọt. Trong khoảng quá độ từ trạng thái này sang trạng thái khác khớp nối làm việc không ổn định. Để khắc phục hiện tợng này ngời ta đặt đĩa chắn ở lối ra của bánh turbine chất lỏng không thể chuyển động theo vòng khép kín lớn khớp nối thuỷ lực chứa không đầy chất lỏng sẽ làm việc ổn định (ở trạng thái vòng khép kín nhỏ). IV . Phân loại: 1. Phân loại theo kết cấu: - Khớp nối thuỷ lực có vành trong: có tác dụng làm cho dòng chảy hình thành trong buồng làm việc tốt hơn ( luôn luôn chuyển động ở trạng thái vòng khép kín lớn). - Khớp nối thuỷ lực không có vành trong: chất lỏng làm việc tự nó chuyển động theo quĩ đạo tốt nhất, dòng chảy ít bị tổn thất năng lợng nhất. - Khớp nối thuỷ lực chỉ có một bánh công tác có vành trong. - Khớp nối thuỷ lực kép: dùng khi cần giảm kích thớc đờng kính do thiếu chỗ bố trí, nó gồm hai khớp nối ghép song song. Theo kết cấu bên trong cánh dẫn : - Kết cấu thuỷ lực cánh phẳng hớng kính. - Kết cấu thuỷ lực cánh cong: kết cấu phức tạp hơn nhng truyền đợc công suất lớn hơn so với loại cánh phẳng khi hai khớp nối cùng kích thớc và hiệu suất. 2. Phân loại theo tính chất điều chỉnh: - Khớp nối thuỷ lực không điều chỉnh: vận tốc quay của trục dẫn n B =const, n T chỉ phụ thuộc vào momen tải trọng đặt trên trục bị dẫn . Để khắc phục sự tăng momen đột ngột khi hệ số trợt s tăng , ngoài việc dùng đĩa chắn , trong kết cấu của khớp nối thuỷ lực còn sử dụng buồng phụ 2. Tuỳ theo momen cản trên trục bị dẫn, lợng chất lỏng chứa trong buồng làm việc sẽ tự động thay đổi nhờ có buồng phụ thông với nó. Khi s tăng thì lợng chất lỏng trong buồng làm việc giảm làm cho momen truyền không tăng đột ngột . 8 - Khớp nối thuỷ lực điều chỉnh đợc: n T không những phụ thuộc vào M cản mà còn phụ thuộc vào vị trí cơ cấu điều chỉnh. Cơ cấu này dùng để thay đổi lợng chất lỏng làm việc trong khớp nối, đợc điều chỉnh bằng tay hay tự động. 3. Phân loại theo công suất truyền: - Loại nhỏ và trung bình 1000kW . - Loại lớn >1000kW ò òò ò3. Biến tốc thuỷ lực I . Phân loại biến tốc thuỷ lực và các thông số cơ bản: 1 . Phân loại : a ) Phân loại theo thứ tự các bánh trong buồng làm việc: B T P ( thuận ) B P T (nghịch ): trục bị động và chủ động ngợc chiều quay b ) Phân loại theo kiểu bánh turbine: Ly tâm; Hớng tâm; Hớng trục; Tâm trục c ) Phân loại theo số cấp (số bánh turbine) : - 1 cấp: 1 bánh Bơm ; 1 bánh T ; 1, 2 bánh P - 2 cấp : 1 bánh Bơm ; 2 bánh T ; 1, 2 bánh P. - 3 cấp : 1 bánh Bơm ; 3 bánh T ; 2, 3 bánh P. Không chế tạo số cấp lớn hơn vì kết cấu phức tạp mà chỉ tiêu kinh tế không tăng nhiều d ) Phân loại theo số buồng làm việc : Loại này dùng để đảo chiều hoặc thay đổi vận tốc trong bộ truyền bằng cách đổ đầy hoặc tháo chất lỏng ra lần lợt các buồng. e ) Phân loại theo tính chất làm việc của bánh phản ứng: - Bánh phản ứng cố định ở mọi chế độ. - Bánh phản ứng có thể quay (Biến tốc thuỷ lực hỗn hợp), có thể làm nhiệm vụ biến tốc hoặc khớp nối. Khi tỉ số truyền đạt đến tỉ số qui định, hiệu suất giảm đến mức cho phép thì bánh phản ứng sẽ tự quay tự do trong chất lỏng và biến tốc thuỷ lực biến thành khớp nối thuỷ lực (mục đích để tăng hiệu suất). g ) Biến tốc thuỷ lực không đảo chiều và đảo chiều: (trục bị dẫn) Dùng loại đảo chiều trong động cơ tàu thuỷ để tàu tiến hay lùi. Nhợc điểm cơ bản: Thay đổi momen quay ít (2ữ3 lần), nếu tăng hơn thì hiệu suất giảm. Đối với máy vận chuyển thờng kết hợp loại thuỷ-cơ (có biến tốc cơ khí loại vi sai hành tinh). Thuỷ lực: êm, vô cấp. Cơ khí : bảo đảm tỉ số vận tốc tăng, chung cao . 2. Nguyên lý làm việc và các thông số cơ bản: Khi động cơ quay thì bánh bơm quay theo, dòng chất lỏng qua bánh bơm sẽ đợc cung cấp năng lợng. Vì vậy khi ra khỏi bánh bơm, năng lợng của nó là lớn nhất. Khi chuyển qua TB dòng chất lỏng truyền năng lợng cho bánh công tác. Năng lợng dòng chảy biến thành cơ năng và do đó năng lợng dòng chảy giảm dần. Khi qua bánh phản ứng , chất lỏng và bánh công tác không có sự trao đổi năng lợng vì bánh phản ứng cố định; nhng có sự thay đổi momen động lợng do vận tốc trớc và sau bánh phản ứng thay đổi. Sau đó chất lỏng lại đợc Bơm cung cấp năng lợng và lặp lại chu trình cũ. Vòng chất lỏng làm việc là tuần hoàn kín. Sơ đồ truyền momen đợc thể hiện trên hình vẽ. Nh vậy bánh phản ứng làm nhiệm vụ : - Dẫn dòng chất lỏng từ bơm đến TB sao cho tổn thất là ít nhất. - Tạo ra momen tác dụng lên dòng chảy. Momen trên bánh bơm: (sự thay đổi momen động lợng của của dòng chảy qua bơm) M B =.Q.(C 2uB .r 2B - C 1uB .r 1B ) 9 Sự thay đổi momen động lợng của dòng chất lỏng trong bơm phản ứng sinh ra M p tác dụng lên bánh công tác. Momen này ngợc chiều với M p tác dụng lên chất lỏng. M P =.Q.(C 2uP . r 2P - C 1uP .r 1P ) Do momen động lợng của dòng chất lỏng trong TB giảm, vì vậy tạo M T do chất lỏng tác dụng lên bánh công tác, Momen này cũng ngợc chiều với M của bánh công tác tác dụng lên dòng chất lỏng: M T =.Q.(C 2uT .r 2T - C 1uT .r 1T ) Ta có : M T + M B + M P = 0 M B + M P = - M T Vậy trong biến tốc có cả sự thay đổi về vận tốc lẫn momen trên trục bị động so với trục chủ động. M T , M B không thay đổi dấu, chỉ thay đổi về giá trị. Còn M P có thể thay đổi cả giá trị và dấu. Các thông số cơ bản: - Tỉ số truyền: 1 2 n n i = ; n 1 , n 2 là số vòng quay của trục bơm và trục TB. - Hệ số biến đổi momen: B T 1 2 M M M M K == Công thức này không tính đến M ms ở ổ và ma sát đĩa. - Hiệu suất : 2 1 . N K i N = = 3. Cân bằng năng lợng trong biến tốc thuỷ lực: Xét biến tốc B T P Cột áp lý thuyết của B dùng để tạo nên cột áp hữu ích (hay lý thuyết) của T và dùng để khắc phục sức cản trong các bánh công tác. II . Đờng đặc tính của biến tốc thuỷ lực: 1. Đặc tính lý thuyết Biểu diễn quan hệ giữa M B , M T với số vòng quay trên trục bị động n 2 (hay tỉ số truyền i) khi Q và n 1 không đổi . Với M B : M B = .Q.(C 2uB .r 2B - C 1uB .r 1B ) Xét biến tốc B T P : Vì C 1uB .r 1B = C 2uP .r 2P Nên M B = .Q.(C 2uB .r 2B - C 2uP .r 2P ) Do C u = U - C m .ctg M B = .Q.[ (U 2B - C 2mB .ctg 2B ).r 2B - (U 2P - C 2mP .ctg 2P ).r 2P ] Vì bánh phản ứng cố định nên u p2 = 0; Nếu lấy C 2mB =C 2mP =C m [ ] )rctgrctg(CrQM B2B2p2p2m 2 B2BB += Thay F Q c m = => += B2 B2B2 p2 p2p2 2 B2BB F rctg F rctg QrQM Trong phơng trình M B không chứa tỉ số truyền i , vì vậy : Kết luận : khi Q =const, n B =const thì M B không phụ thuộc i . Vì vậy đờng M B là đờng song song với trục i , do đó điều kiện để B M không thay đổi là lu lợng dòng chảy trong biến tốc không đổi và = B const Với M T : ( ) ( ) T2uT2B2uB2 T2uT2T1uT1T rCrCQ rCrCQM = = Thay = ctgCUc mu 10 ( ) ( ) [ ] T2T2m2T2B2B2m2B2T rctgcurctgcuQM TB = Nhận xét: + M T tỉ lệ với lu lợng Q và tỉ lệ bậc 1 với i. + Nếu Q thay đổi thì quan hệ này rất phức tạp vì Q phụ thuộc i . + Nếu Q = const thì M T là đờng bậc 1 theo i . M T lớn nhất ở tỉ số truyền i = 0: M T = 0 : tỉ số truyền ở chế độ không tải i kt , i kt đợc xác định bằng phơng trình: 2 2 2 22 2 22 2 2 TB B BB T TT BB kt r F rctg F rctg Qr i + = i có thể lớn hoặc nhỏ hơn 1, thông thờng i nằm trong khoảng từ 0,6 đến 1,7. Đờng hiệu suất : i M M M M N N B T BB TT B T = == Thay giá trị M T , M B vào rồi biến đổi ta có : dic)bia( M Q i 2 B +=+ = (đờng parabol) . Hiệu suất lớn nhất khi i = i * . Khảo sát các điểm đặc trng : - Điểm 1: chế độ không tải: M T = 0; N B 0 ; i kt có thể >1 hoặc <1; =0; N 2 =0 ; N 1 =N B biến thành nhiệt . - Điểm 2: chế độ cân bằng momen (chế độ khớp nối) Với M B = M T ( chế độ khớp nối ) ( ) 0 22221122 === TuTpuppuppupP rCrCrCrCQM Điều kiện cân bằng của biến tốc là : pupTuT rCrC 2222 = Vì r 2T r 2P vectơ tốc độ tuyệt đối tại điểm ra của T và bánh phản ứng luôn khác nhau . Khảo sát quanh điểm 2 : Bên trái điểm 2 : M P >0 M T > M B Càng gần điểm 2: M P càng giảm Tại điểm 2: M P = 0 Bên phải điểm 2: MP<0 M T < M B Tại điểm 2, M p đổi dấu ( M P : momen của chất lỏng tác dụng lên bánh phản ứng). Lợi dụng sự đổi dấu của M P ở chế độ này để tạo biến tốc hỗn hợp có hiệu suất ở vùng có tỉ số truyền i lớn cao hơn. Khi đạt đến giá trị i (2) tức là M B =M T , bánh phản ứng sẽ c gii phúng, quay đợc và biến tốc làm việc nh 1 khớp nối. ] 2 T2B B2 B2B2 T2 T2T2 2 B2BT ri F rctg F rctg QrQM += += B BB T TT BBT F rctg F rctg QrQM 2 22 2 22 2 20 . B =const). - Khi n T =0 và n T =n B thì công suất N T = 0 ; trong khoảng giữa 2 trị số này T N có giá trị cực đại . - Đờng là đờng thẳng vì : B T n n i == - Khi n T n B thì khi đó công. : - Trọng lợng trên 1 đơn vị công suất nhỏ. - Hiệu suất cao. - Đảo chiều đơn giản, điều chỉnh vô cấp vận tốc bộ phận chấp hành. - Chuyển động êm. - Độ nhạy và độ chính xác cao, điều khi n. thủy lực, hiện nay ngời ta dùng các loại truyền động liên hợp nh truyền động thủy-cơ, điện-thuỷ-cơ , thủy-khí-cơ Trong chơng này trình bày loại truyền động thủy động . I. Sơ đồ kết cấu và nguyên