4. Máy thủy lực thể tích
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:
2 a 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.
+ Áp suất làm việc:
• Ngành chế tạo máy: 1,5 ÷ 3MPa
• Ngành hàng không: 10 ÷ 20MPa
+ Lưu lượng: Q = 400 ÷ 500 l/ph; Qmax = 5000 l/ph + Số vòng quay: n = 1500 ÷ 3000 vg/ph; nmax = 12000 ÷ 15000 vg/ph + Hiệu suất: ηQmax= 0,95 ÷ 0,96
η = 0,87 ÷ 0,90
*) Lưu lượng.
- Lưu lượng trung bình: + Giả thiết:
• 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: ql =2.Z.V
b m Z D b h t V c .2. . . 2 . . . 2 π = = Nên: Z b D m b D h D b q c c c l 2 . . 2 . 2 . . . . π π π ⋅ = = ⋅ = Trong đó: Dc - đường kính vòng tròn chia b - chiều dài răng (chiều rộng bánh răng) h = 2m - chiều cao của răng
t =
Z Dc
.
π
- bước của răng.
m =
Z Dc
- môđun của bánh răng.
Ta có lưu lượng lý thuyết trung bình là: Ql =ql.n;
Z n b D Q c l ⋅ ⋅ ⋅ = 2π 2
Đối với các bánh răng có số răng nhỏ (Z = 6 ÷ 10) thì thể tích của rãnh răng lớn hơn thể tích của răng, khi đó thay số π trong công thức trên bằng hệ số 3,5, do đó: Z n b D Q c l ⋅ ⋅ ⋅ = 7 2
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 .( . . . 2 2 2 1 2 2 o l bn R R m Q = π − − α Trong đó: R2 – bán kính vòng tròn đỉnh. R1 – bán kính vòng tròn chân răng. α0 – góc ăn khớp (200). + 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.Dc.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:
M1=∆p.b( R2- x ) 2 x R2+ hay: M1=∆p⋅b 2 1 ( R2 2 2−x ) Trong đó: Δp là độ chênh áp giữa hai mặt răng của một răng.
2 B A r R2 02 01 x y 1
Hình 4-12 Sơ đồ làm việc của bơm bánh răng. 1 - Bánh răng chủ động; 2- Bánh răng bị động.
- Mômen cản tác dụng lên trục bánh răng bị động (bánh răng 2):
Tương tự, ta có: M2=∆p.b.(R2−y ) 2 y R2 + hay: M2=∆p⋅b 2 1 ( R2 2 2−y ) Vậy ta có mômen cản tác dụng lên trục bơm là:
M = M1 + M2 => [ 2 ( 2 2)] 2 . 2 2 1 . .b R x y p M =∆ − +
Với x, y được xác định từ sơ đồ ăn khớp của cặp bánh răng, ta có:
( )2
2
2 c R k
x = + − ; y2 =c2 +(R+K)2
Suy ra: x2 +y2 =2R2 +2(k2 +c2)
Vì k2 +c2 =l2 trong đó l là khoảng cách từ điểm ăn khớp A đến tâm ăn khớp P nên: ) ( 2 2 2 2 2 l R y x + = + ; Vậy: . ( 2 2 2) 2 R l R b p M = − −
Đối với bánh răng thông thường thì R2 = R + m nên: . ( 2 2)
l m Rm b p M = + − R α Ro Ro A x y l c k 02 01 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 )
max 2 min pb Rm m l
M = + −
Khi l = 0, mômen có trị số lớn nhất Mmax: . (2 . 2)
max pb Rm m
M = +
Sự dao động của mô men quay ảnh hưởng xấu đến sức bền, điều kiện làm việc của bơm. Ta biết rằng trị số của mô men quay M tỷ lệ với công suất trên trục bơm, mà công suất trên trục lại ảnh hưởng đến áp suất và lưu lượng của bơm, do đó sự dao động của mômen quay cũng gây nên sự dao động lưu lượng và áp suất của bơm.
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
γ Q H pQ N = . . = .
(p = const, chênh lệch áp suất giữa bọng đẩy và bọng hút của bơm), do đó: ω ϕ . .Q M p = => p M Q ω ϕ = .
Thay trị số của mômen tức thời, ta được công thức tính lưu lượng tức thời của bơm bánh răng: Qϕ =(2Rm+m2 −l2)ω.b
Từ đây ta suy ra rằng lưu lượng tức thời của bơm bánh răng cũng phụ thuộc vào khoảng cách l như M. Khi l = 0, bơm có lưu lượng lớn nhất:
( Rm m l ) b QMax = 2 + 2− 2 ω.
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.