2.1.1 Cấu tạo bơm
Hình 2. 1 Bơm thủy lực Rexroth A4VSO
• Bơm piston là một loại bơm thủy lực hoạt động nhờ lực quay của động cơ thông qua trục và thanh nối, mục đích cung cấp chất lỏng cho hệ thống. Bơm có 1 hoặc nhiều piston chuyển động tịnh tiến để làm thay đổi thể tích trong bơm nhờ đó có thể hút,đẩy chất lỏng thủy lực.
• Chức năng của loại bơm này đó là hút dầu, chất lỏng thủy lực từ thùng chứa và đẩy chúng đi trong hệ thống với áp suất, lưu lượng theo yêu cầu để đến với cơ cấp chấp hành như xi lanh,motor thủy lực...
• Một bơm piston sẽ có thể đạt được tốc độ dòng chảy từ 50 gpm đến 700 gpm, mã lực từ 1 đến 500 mã lực và áp suất từ 50 psi đến 5000 psi.
Hình 2. 2 Cấu tạo bơm thủy lực A4VSO
1: VALVE PLATE (Tấm van)
2: CYLINDER BLOCK (Khối xi lanh) 3: DISC SPRING (Đĩa lò xo)
4: SET PLATE (Đĩa đặt) 5: PISTON SHOE (Piston)
6: RETAINER PLATE (Tấm giữ piston) 7: RETAINER (Miếng giữ)
8: SPACER (Miếng đệm) 9: THRUST PLATE (Tấm đẩy) 10: DRIVER SHAFT (Trục quay)
2.1.2 Đặc trưng
• Máy bơm piston hướng trục có thể thay đổi kiểu A4VSO trong thiết kế swashplate được thiết kế cho mạch thủy tĩnh, mạch hở ổ đĩa.
• Lưu lượng tỷ lệ với tốc độ truyền động đầu vào và sự dịch chuyển. Bằng cách điều chỉnh swashplate, có thể dòng chảy thay đổi vô hạn.
• Thiết kế bảng điều khiển có khe cắm
• Phép dời hình biến thiên vô hạn
• Đặc điểm hút tốt
• Áp suất hoạt động danh nghĩa cho phép 350 bar
• Độ ồn thấp
• Tuổi thọ lâu dài
• Trục truyền động có khả năng hấp thụ tải trọng dọc trục và hướng tâm
• Tỷ lệ công suất / trọng lượng tốt
• Thiết kế mô-đun
• Thời gian kiểm soát ngắn
• Có thể thông qua kết hợp truyền động và bơm
• Vị trí lắp tùy chọn
• Hoạt động trên chất lỏng HF trong điều kiện giảm hoạt động các thông số có thể
2.2 Tính toán, thiết kế và sơ đồ nguyên lý động học của bơm 2.2.1 Sơ đồ động học của bơm 2.2.1 Sơ đồ động học của bơm
- Với hệ thống sơ đồ bơm trên, ta thấy được:
+ Dầu sẽ đi qua công hút S, khi dầu chuẩn bị được đưa vào bơm sẽ được cổng MS kiểm tra lưu lượng
+ Tiếp đến, quay tay gạt để lưu lượng dầu được hút vào bơm, ở đây bơm sẽ giúp lưu lượng chảy ổn định.
+ Sau đó, dầu sẽ chảy thông qua cổng B điểu chỉnh áp suất (cổng phụ B1), nếu áp suất mất ổn định, cổng MB sẽ kiểm tra áp suất để dẫn lưu lượng dầu lên van phân phối 3/2
+ Tiếp đó, lượng dầu sẽ đầy van phân phối mở ra cổng giúp lưu lượng dầu chảy vào xilanh, nhờ có áp suất của dầu mà piston xilanh thủy lực có thể chuyển động và thực hiện biến chuyên năng lượng dầu thành động năng để thực hiện việc quay trục máy bơm
+Sau đó, một lượng dầu sẽ thoát ra khỏi đầu xả của van phân phối và 1 một phần lượng dầu từ xilanh sẽ qua van tiết lưu rồi tập trung đến cổng R(L) là cổng làm mát
+ Sau đó, lượng dầu sẽ chảy đến các cổng xả T K1 K2 rồi quay trở lại bơm, + + Kế đó, lượng dầu sẽ qua cổng xả U.
2.2.2 Công suất, hiệu suất và lưu lượng của bơm
- Ta có bảng giá trị (giá trị lý thuyết, không có hiệu suất và dung sai, giá trị làm tròn):
Bảng 2. 1 Bảng giá trị các bơm
Kích thước danh nghĩa A4VSO71 A4VSO125 A4VSO180 A4VSO250
Áp suất định mức p N Bar 350 350 350 350
Áp suất tối đa p max Bar 450 450 450 450
Sự dịch chuyển V g tối đa cm³ 71 125 180 250 Tốc độ Tối đa tốc độ n tối đa vòng /
phút 2200 1800 1800 1500 lưu lượng tại n max q V tối đa l / phút 156 225 324 375 Quyền lực Δ p = 350 bar P tối đa kW 91 131 189 219 Mô-men xoắn Δ p = 350 bar T tối đa Nm 395 696 1002 1391 Trọng lượng xấp xỉ m Kilôgam 53 88 102 184
Kích thước danh nghĩa A4VSO355 A4VSO500 A4VSO750 A4VSO1000
Áp suất ịnh mức p N quán ba 350 350 350 350 Áp suất tối đa p max quán ba 450 450 450 450 Sự dịch chuyển V g tối đa cm³ 355 500 750 1000 Tốc độ Tối đa tốc độ n tối đa vòng /
phút 1500 1320 1000
lưu lượng tại n max q V tối đa l / phút 533 660 1000 Quyền lực Δ p = 350 bar P tối đa kW 311 385 525 583 Mô-men xoắn Δ p = 350 bar T tối đa Nm Năm 1976 2783 4174 5565 Trọng lượng xấp xỉ.) m Kilôgam 207 320 460 605
Theo thông số ban đầu của bơm ta có bơm rexroth A4VSO250 - Áp suất định mức pn = 350 bar
- Áp suất tối đa pmax = 450 bar
- Sự dịnh chuyển Vg tối đa = 250 cm3 - Tốc độ tối đa n = 1500v/p
- Lưu lượng tại nmax qv max = 375 l/p
- Công suất điện tối đa pmax(△p = 353 bar) = 219kw - Mô men xoắn tối đa Tmax (△p = 350 bar) = 1391 Nm - Trọng lượng m = 184 kg
Công suất đầu vào và lưu lượng dòng chảy:
Với n = 1500 (vg/ph): Ta có lưu lượng lý thuyết:
[3] . . 1000 g v v V n q = (2.1)
qv: Lưu lượng bơm (l/ph)
Vg: độ dịch chuyển hình học mỗi vòng quay, Vg = 250 cm3
n: số vòng quay, n = 1500 (v/ph) ηv: hiệu suất thể tích, ηv = 1 → qvlt = 375 (l/p) Hiêu suất thực tế [3] qvtt qvlt = (2.2) : hiệu suất thực tế
qvtt : lưu lượng thực tế của bơm (l/ph)
Với sơ đồ áp suất vận hành ta thấy được qv thực tế = 365 (l/p) → hiệu suất thực tế 365 0,9 375 vtt vtt vlt q q = = = Mômen xoắn: [3] 1, 59. 100. g p mh V T = (2.3) T: momen xoắn (N/m)
△p: sự chênh lệch áp suất, △p = 350 bar
ηmh: hiệu suất cơ học thủy lực, ηmh = 1
→ T = 1391,25 Nm Công suất: [3] 2 . . . . 60000 9549 600. v p t q T n T n P = = = (2.4)
P: công suất của bơm (kW)
△p: sự chệnh lệch áp suất, △p = 353 (bar) ηt: hiệu suất tổng thể (ηt=ηv.ηmh), ηt = 1 → P = 220,625 kW (Lý thuyết) Có hiệu suất thổng thể thực tế: [3] max . .600 vtt t qv q p P = (2.5) t : hiệu suất thực tế qvtt: áp suất thực tế (l/ph)
Pqvmax : áp suất max (l/ph)
→ . 365.350 0, 97 max .600 220.625.600 vtt t q p Pqv = = =
-> Với lưu lượng thực tế ta nên chọn áp suất cao hơn áp suất tối đa để sau một thời gian hoạt động bơm vẫn có thể giữ được lưu lượng ban đầu hoặc có thể thay đổi nhanh hơn
2.2.3 Chất lỏng thủy lực
Hình 2. 4 Dầu thủy lực
- Chất lỏng thủy lực là tổ hợp các hợp chất hữu cơ tồn tại dưới dạng sánh đặc hơn nước có tác dụng truyền tải năng lượng, làm kín, bôi trơn, làm mát hệ thống thủy lực
- Chức năng quan trọng nhất của nó chính là nhận năng lượng từ bơm thủy lực và truyền tải chúng đi xa, truyền cho cơ cấu chấp hành thay cho các cơ cấu cơ khí truyền thống như bánh răng, đai xích hay trục vít. Với việc dùng dầu thủy lực, khoảng cách không còn là vấn đề. Không những vậy,dùng dầu thủy lực để truyền tải năng lượng sẽ rất linh hoạt trong những địa hình oằn èo vì ống thủy lực mềm có thể giải quyết chúng
- Ngoài ra, nó còn dùng làm mát cho hệ thống cực kì hiệu quả, các bề mặt chuyển động phát sinh nhiệt cho tới khi hoạt dừng hoạt động -> dầu lưu thông sẽ hấp thụ nhiệt và phát tán chúng ra ngoài môi trường
Hình 2. 5 Bôi trơn hệ thống
- Bề mặt tiếp xúc các chi tiết chuyển động nếu không được bôi trơn sẽ bị mài mòn nhanh chóng. Bên cạnh đó, nếu cứ mài mòn liên tục sẽ gây sinh ra lượng nhiệt làm nóng hệ thống, dầu thủy lực cũng có tác dụng bôi trơn các chi tiết chuyển động
2.2.3.1 Phạm vi độ nhớt hoạt động
- Để đạt được hiệu quả và tuổi thọ sử dụng tối ưu, độ nhớt vận hành (lúc vận hành) được chọn trong phạm vi:
νopt = độ nhớt hoạt động tối ưu : 16 -> 36 mm2/s
➔ Chọn độ nhớt 23 mm2/s
- Giới hạn của phạm vi độ nhớt
• Đối với các điều kiện vận hành quan trọng, các giá trị sau được áp dụng: + νmin = 10 mm2/s (trong thời gian ngắn ở mức tối đa dầu rò rỉ cho phép nhiệt độ 90 ° C).
Hình 2. 6 Sơ đồ lựa chọn
Với vopt = 23mm2/s , nhiệt độ trong bể là 50oC, độ nhớt hoạt động trong pham vi VG16 – VG36, ta chọn VG26 để nhiệt độ dầu rò rỉ (chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất) phải cao hơn nhiệt độ của bể và không được vượt quá 90oC.
- Nhận xét về việc lựa chọn chất lỏng thủy lực
+ Để chọn chất lỏng chính xác, cần phải biết nhiệt độ hoạt động trong bể (hở mạch), liên quan đến nhiệt độ môi trường xung quanh là bao nhiêu. +Chất lỏng thủy lực nên được chọn sao cho, trong phạm vi nhiệt độ hoạt động, độ nhớt hoạt động nằm trong phạm vi tối ưu (νopt)
2.2.3.2 Mang xả (Bearing flusing)
- Đối với các điều kiện hoạt động sau đây việc xả nước ổ trục là cần thiết cho hoạt động liên tục và an toàn:
+ Ứng dụng với chất lỏng đặc biệt (dầu khoáng), do độ bôi trơn hạn chế và phạm vi nhiệt độ hoạt động hẹp
+ Xả nước được khuyến khích với việc lắp thẳng đứng (trục truyền động hướng lên trên), để đảm bảo bôi trơn mặt trước ổ trục và phớt chặn trục.
+ Việc xả nước được thực hiện thông qua cổng "U", nằm ở phía trước diện tích mặt bích của bơm dịch chuyển biến thiên. Dầu xả chảy qua ổ trục phía trước và rời khỏi hệ thống với nhau với dầu rò rỉ máy bơm ở cổng thoát nước.
*Các dòng chảy sau đây được khuyến nghị để xả nước:
Bảng 2. 2 Dòng chảy được khuyến nghị
Kích
thước 40 71 125 180 250 355 500 750 1000 Qsp
L/min 3 4 5 7 10 15 20 30 40
2.2.4 Nguyên lý sơ đồ bơm
• Dựa theo nguyên tắc: áp lực cố định.
- Tăng lưu lượng: Ưu tiên tăng tốc độ trước, sau đó nếu không đủ giảm - thêm bơm
- Giảm lưu lượng: Ưu tiên giảm tốc độ trước, sau dó nếu không đủ thải bơm
➔ Điều khiển bơm dựa theo tín hiệu áp suất tại đầu đẩy của bơm
• Bơm còn hoạt động ở hiệu suất tốt, cột áp và đường cong đặc tính không bị biến động, trong khoảng 0.7~1.0 tốc độ danh nghĩa (tức là tần số không nên giảm quá 30Hz~50Hz) không nên để tần số xuống thấp quá, vì cột áp tỉ lệ với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ, khi đó biến thiên áp lực điều khiển sẽ có biên độ điều chỉnh rất lớn.
• Nguyên lý điều khiển cột áp cố định nằm trong bộ điều khiển PID (thuật toán) trên PLC, thuật toán cho phép điều chỉnh tham số của động cơ để bám theo áp lực cố định mong muốn, mà quyết định tăng/giảm tốc độ,
hay gọi thêm/ xa thải bơm. Nó dựa trên các tham số chính, tín hiệu áp suất từ cảm biến, DeltaP cài đặt (nếu vượt quá DeltaP mà áp lực không tới điểm kỳ vọng thì sẽ điều chỉnh tốc độ, số lượng bơm), DeltaT thời gian phản hồi để ra lệch điều chỉnh thông số điều khiển…
• Do các các bơm được lắp đặt song song trên cùng 1 đường ống gom (header), nên các cột áp của các bơm phải gần tương đồng nhau, vì vậy cần phải khống chế DeltaF (tần số). Không nên điều chỉnh các tần số của các bơm đang cùng hoạt động lệch nhau, vì điều đó có thể gây nên hiện tượng “rối dòng”, hoặc ảnh hưởng tới đặc tính từng bơm. Nếu lệch nhau quá lớn có thể gây hỏng bơm ở bơm có tần số thấp hơn (do không đẩy được nước qua van một chiều được).
• Mặc dù được trang bị biến tần, hệ thống vẫn cần trang bị một bình tích áp nhỏ, việc này giúp áp lực không bị gián đoạn (trong khoảng 20s) khi gọi thêm bơm, hay xa thải bơm. Việc trang bị bình tích áp ở đây cũng giúp hệ thống hoạt động mềm hơn.
• Về lý thuyết, cảm biến áp suất nên được đặt ở điểm xa nhất, bất lợi nhất của hệ thống. Khi đó việc điều chỉnh áp lực sẽ mềm hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
• Hầu hết các hãng biến tần đều có firmware sẵn tích hợp trong thư viện của thiết bị, ứng dụng cho bơm tăng áp trực tiếp, chúng ta có thể tham khảo các nhà sản xuất biến tần để áp dụng cho các mô hình giản đơn, với các mô hình lớn, chúng ta cần tới bộ điều khiển phức tạp hơn như PLC chẳng hạn.
• Do áp lực của hệ thống có thể được thay đổi bằng việc gọi thêm hay sa thải bơm, vì vậy để tránh hiện tượng quá áp nhằm bảo về đường ống và thiết bị, hệ thống nên được trang bị các biện pháp chống quá áp như: lắp đặt thêm van giảm áp, công tắc áp lực…
2.3 Tính toán chọn bơm và sơ đồ động học của hệ thống
- Bơm thủy lực là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu. Trong hệ thống thủy lực chủ yếu sử dụng bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các khoang làm việc, khi thể tích của khoang làm việc tăng bơm thực hiện hút dầu, khi thể tích của khoang làm việc giảm bơm đẩy dầu ra. Tùy thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân ra hai loại bơm thể tích:
+ Bơm có lưu lượng cố định (bơm cố định): Với một tốc độ quay bơm nhất định thì lưu lượng bơm ra là không đổi (tuy nhiên thực tế có thay đổi do bơm có tổn thất lưu lượng).
+ Bơm có lưu lượng thay đổi (bơm điều chỉnh): Với một tốc độ quay bơm nhất định thì lưu lượng bơm có thể điều chỉnh được trong một dải cho phép tùy từng kết cấu bơm.
Phân loại theo cấu tạo thì có một số loại bơm thông dụng như sau:
Hình 2. 7 Một số loại bơm thông dụng
Bảng 2. 3 Phân loại bơm thủy lực
2.3.1 Hệ thống bơm thủy lực
* Hệ thống bơm gồm có - Động cơ điện. - Bơm thủy lực. - Van thủy lực. - Bộ lọc hồi. - Thùng dầu thủy lực 2.3.1.1 Động cơ điện
* Cấu tạo của động cơ điện
Động cơ diện gồm 2 bộ phận chính là phần chuyển động rotor và phần đứng yên stato:
- Phần chuyển động Rotor
+ Lõi thép được làm bằng các lá thép được xử lý kỹ thuật điện + Thanh dẫn được làm bằng vật liệu đồng hoặc nhôm
+ Vòng đoản mạch gồm 2 vòng được đặt ở 2 đầu của rotor - Phần đứng yên stato
+ Vỏ lõi được làm bằng vật liệu thép đúc, thực hiện nhiệm vụ bảo vệ mạch từ cùng với tấm chắn để dảm bảo stato được cố định trong cấu trúc động cơ.
+ Lõi stato được làm từ sắt nõn, có cấu tạo tương tự với lõi stato của máy điện dị bộ dây quấn, phần ứng như dây quấn 3 pha của máy điện dị bộ. - Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra
làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác
- Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác