4. Máy thủy lực thể tích
4.5 Bơm và động cơ thủy lực piston rôto
4.5.1. Đặc điểm và phân loại.
Các đặc điểm cơ bản của loại máy piston rôto là: - Tạo được áp lực cao với lưu lượng khơng lớn lắm.
- Có khả năng thay đổi lưu lượng một cách dễ dàng trong khi vẫn giữ nguyên áp suất và số vòng quay làm việc.
Cũng tương tự như bơm piston, áp suất làm việc của máy cũng như lưu lượng khơng phụ thuộc vào số vịng quay.
- Hiệu suất tương đối cao. - Phạm vi điều chỉnh lớn.
Số vịng quay làm việc tương đối lớn nên có khả năng nối trực tiếp với các máy điện thông thường.
Nguyên lý làm việc của loại máy thuỷ lực này cũng chính là nguyên lý làm việc của loại máy piston ghép. Bộ phận công tác chủ yếu của máy gồm nhiều piston hình trụ đặc trong các xilanh. Các xilanh này được báo trí trong một khối trụ trịn có chuyển động quay gọi là roto. Khi khối các xilanh quay thì chuyển động tịnh tiến tương đối giữa piston và xilanh được thực hiện (giống như trong máy piston). Vì thế gọi là máy piston rơto.
Bơm và động lực piston rơto có kết cấu hồn tồn như nhau. Trừ những trường hợp đặc biệt, trong thưc tế thì bơm piston rôto nào cũng làm việc như một động cơ nếu dẫn vào nó một dịng chất lỏng có áp suất lớn. Động cơ piston rơto có thể làm việc với mômen quay không đổi hoặc thay đổi, cũng như bơm piston rơto có thể làm việc với lưu lượng khơng đổi hoặc thay đổi.
Máy thuỷ lực piston rơto có thể chia làm hai loại chính: - Bơm và động cơ piston rơto hướng kính
4.5.2. Bơm và động cơ piston rơto hướng kính. a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc.
Máy gồm có hai phần: phần quay (rơto) 1 đặt lệch tâm tong phần cố định (stato) 2. Rơto là một khối trụ trịn, trong đó các xi lanh và piston trụ 3 khơng có cần, phân bố đều theo hướng kính (kiểu bố trí hình sao). Do sự bố trí lệch tâm giữa rơto va stato một khoảng e nên khi rôto quay các piston quay theo rôto và đồng thời chuyển động tịnh tiến trong các xilanh.
Nếu máy là máy bơm thì quá trình hút được thực hiện khi piston chuyển động hướng ra khỏi tâm rôto: chất lỏng được hút qua rôto vào các xilanh nhờ các lỗ dẫn a và bọng hút A. Khi piston bị thành stato ép chuyển động hướng về tâm thì chất lỏng bị nén vào bọng B và chảy ra ngoài theo các lỗ dẫn b. Trường hợp xét ở trên ứng với khi rơto có chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ (hình vẽ). Nếu rơto của bơm của bơm có chiều quay ngược lại thì bọng hút lại ở phía dưới B và bọng đẩy ở phía trên A. R e A - A B - B B B A A A B a 1 2 3 b B A 4
Hình 4-18 Máy piston rơto hướng kính.
1- Rơto; 2- Stato; 3- Piston; 4- Trục phân phối; A, B- Các buồng hút và đẩy; a, b- Các cửa hút và đẩy.
Nếu dẫn vào bọng A hoặc B một dịng chất lỏng có áp suất đủ lớn, dưới tác dụng của áp suất, các piston chuyển động và một phần tỳ vào thành của stato, đẩy rôto quay; sau khi truyền áp năng cho các piston chất lỏng sẽ bị đẩy ra ở bọng kia. Như vậy máy là động cơ.
Để cho bơm làm việc được bình thường, khi rơto quay các đầu piston phải luôn luôn tỳ vào thành stato. Để đảm bảo điều kiện này, ngoài lực ly tâm tác dụng lên các piston, nhiều khi còn phải dùng lò xo hoặc các cơ cấu đặc biệt khác để đẩy piston. Cũng có thể dùng một bơm phụ gọi là bơm cấp để đẩy chất lỏng vào bọng hút với một áp suất đủ để đẩy các piston tỳ vào thành stato trong quá trình hút.
Như vậy ta thấy rõ giữa bơm và động cơ piston rôto về động học và kết cấu hoàn toàn giống nhau, chỉ khác nhau ở những cơ cấu phụ để đảm bảo sự tiếp xúc của piston vào thành stato (trong qua trình hút của bơm).
b) Động học của piston.
Ta phân tích thêm về nguyên lý hoạt động của máy, tìm ra phương trình chuyển động của các piston để làm cơ sở cho việc tính lưu lượng và lực tác dụng trong bơm. A C e 0 0 1 ϕ ϖ r x R α 2 02 01 r A L
Hình 4-19 Sơ đồ động học máy piston rơto hướng kính.
Nguyên lý chuyển động của máy piston rơto hướng kính cũng là ngun lý chuyển động của cơ cấu thanh truyền tay quay trong đó tay quay L cố định cịn xilanh thì quay trịn quanh tâm 02 với vận tốc góc khơng đổi, và điểm A của piston thì quay quanh tâm 01 với bán kính r. Trong máy piston rơto hướng kính thì thanh truyền r được thay bằng một vành trịn stato có có tâm trùng với 01. Như vậy khi rôto quay quanh trục 02. Thì đồng thời piston cũng thực hiện tịnh tiến được trong các xilanh. Đoạn 0102 được gọi độ lệch tâm e giữa rôto va stato. Trị số của chế độ lệch tâm e ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số làm việc của bơm, vì thế người ta thay đổi giá trị của độ lệch tâm e để thực hiện sự điều chỉnh trong quá trình làm việc.
Khi máy làm việc bao giờ cũng tạo nên chênh lệch áp suất trên hai phía của roto, áp suất chất lỏng trong các xilanh ở về phí buồng đẩy của bơm (hoặc lối vào của động cơ) luôn luôn lớn hơn rất nhiều so với áp suất ở phía kia, do đó gây ra tải
trọng tác động khơng cân đối, lệch về một phía của rơto. Trong các máy làm việc với áp suất lớn thì tải trọng này khá lớn gây hư hỏng trong bộ phận ổ trục của rơto và làm mịn các bề mặt làm kín của trục phân phối.
4.5.3. Bơm và động cơ piston rôto hướng trục. a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc.
Nguyên lý làm việc của hai máy này cũng tương tự như máy piston rơto hướng kính nhưng kết cấu thì có khác.
Trong máy piston hướng trục các lỗ xilanh phân bố đều trên rơto nhưng khơng theo hướng kính mà song song với nhau theo hướng trục của rôto. Piston trong các xilanh luôn luôn được đẩy tỳ một đầu vào đĩa cố định đặc nghiêng bằng các lò xo đặt trong xilanh. Khi rơto quay, các piston quay theo. Vì một đầu của piston luôn luôn phải tỳ vào mặt đĩa nghiêng nên các pision cũng đồng thời chuyển động tịnh tiến tương đối với xilanh. Các lỗ xilanh ở mặt cuối rôto được lắp sát với nắp cố định. Bên trong rãnh này có 2 rãnh hình vịng cung được ngăn cách nhau bởi hai gờ, hai rãnh này được thông với 2 lỗ để dẫn chất lỏng ra vào a , b.
γ A A A - A b a 3 4 2 1 5 6 7 8
Hình 4-20 Cấu tạo máy piston rôto hướng trục.
1- Đĩa nghiêng; 2- Stato; 3- Lò xo; 4- Nắp cố định; 5- Các rãnh vòng cung; 6- Gờ ngăn cách giữa hai rãnh vịng cung; 7- Piston; 8- Rơto.
Nếu máy là bơm, khi rơto quay theo chiều mũi tên thì rãnh 5 bên trái là bọng hút A, rãnh bên phải B là bọng đẩy. Nếu dẫn vào máy một dịng chất lỏng có áp suất đủ lớn như đã phân tích ở trên, rơto sẽ quay và máy sẽ là động cơ thuỷ lực.
Qua giới thiệu ta thấy giữa hai loại máy piston rơto hướng kính và hướng trục tuy có kết cấu khác nhau nhưng nguyên lý làm việc như nhau. Trong loại máy hướng kính thì chuyển động của piston được thực hiện trong một mặt phẳng, cịn loại hướng trục thì chuyển động của piston được thực hiện trong một không gian.
Trong cả hai bơm đều không sử dụng van hút và bơm đẩy nên có thể làm việc với vịng quay cao.
Máy piston rơto hướng trục thường được dùng trong các trường hợp có số vịng quay cao (vận tốc lớn) và mơmen quay thay đổi nhỏ, cịn máy hướng kính thì thực hiện ngược lại dùng trong các trường hợp cần có mơ men quay lớn hơn (có thể đến 9400Nm ≈ 500kGm hoặc lớn hơn) và vận tốc tương đối nhỏ.
Công suất trung bình của máy hướng trục vào khoảng 15 ÷ 20kW. So với máy hướng kính thì máy hướng trục có kích thước nhỏ hơn khoảng hai lần trong khi các điều kiện khác thì như nhau.
b) Phân loại và đặc điểm.
Máy piston rơto hướng trục có thể chia làm hai loại: - Loại đĩa nghiêng (hình 4-21)
- Loại có rơto bố trí nghiêng (hình 4-22).
γ d S D I 4 3 2 1
Hình 4-21 Máy piston rơto hướng trục có đĩa nghiêng.
1- Đĩa phân phối; 2- Rơto; 3- Piston; 4- Đĩa nghiêng.
Để thực hiện chuyển động tương đối của các piston trong xilanh thì rơto phải quay đĩa tròn và đĩa nghiêng cố định hoặc ngược lại. Nhưng để việc phân phối trong bọng hút và đẩy được thuận tiện, kết cấu bơm đơn giản thì thường rơto chuyển động quay và đĩa nghiêng cố định.
Sự điều chỉnh các loại máy piston rôto hướng trục được thực hiện bằng cách thay đổi góc nghiêng của đĩa.
Các máy piston rơto hướng trục về kết cấu có ưu điểm là bọng hút và bọng đẩy (các rãnh hình xuyến) có điều kiện bố trí riêng biệt trên đĩa phân phối nên có thể chế tạo với kích thước lớn mà khơng làm tăng kích thước chung của máy. Do đó cho phép nâng cao số vịng quay để có lưu lượng lớn hơn so với các máy piston rơto hướng kính. Do ưu điểm này về kết cấu, cho nên các loại các loại máy piston rơto hướng trục có trọng lượng trên một đơn vị cơng suất nhỏ hơn từ 2 ÷ 3 lần so với máy piston rơto hướng kính.
D γ d D I 1 2 3
Hình 4-22Máy piston rơto hướng trục có rơto đặt nghiêng.
1- Đĩa phân phối; 2- Rơto; 3- đĩa quay.
Ngồi ra máy piston rơto hướng trục có đặc điểm chung là mơmen qn tính của rơto tương đối nhỏ, điều này có ý nghĩa quan trọng khi sử dụng máy làm động cơ. Số xilanh trong máy thường có từ 7 đến 9. Đường kính nhỏ nhất là 5mm. Góc điều chỉnh lớn nhất là 20o, đối với động cơ có thểγmax =300. Số vịng quay của máy thơng thường n=500÷700vg/ ph, những bơm có cơng suất lớn có thể n = 4000
vg/ph, trong các trường hợp đặc biệt có thể sử dụng số vịng quay trên 10000vg/ph. Số vòng quay nhỏ nhất của động cơ: n = 5 ÷ 10vg/ph. Phạm vi áp suất và lưu lượng sử dụng thông thường của máy piston rôto hướng trục: p = 21 ÷ 35MPa với lưu lượng có thể đến 1800lit/ph. Trong các hệ thống điều khiển của máy bay thường dùng bơm có áp suất từ p = 22 ÷ 28MPa và lưu lượng riêng (trong một vòng quay) q = 0,7 ÷ 70 cm3/ph.
Mômen quay của động cơ có áp suất cao (p = 20MPa) có thể đạt tới 8000÷ 9000Nm.
Bơm và động cơ piston rôto hướng trục có hiệu suất lưu lượng cao 98 , 0 96 , 0 ÷ ≈ Q