Chương 5 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU PISTON-ROTO
1
§1. Khái niệm - Phân loại
Nguyên lý làm vi(cid:1)c: máy piston ghép (tác dụng 5, 6, 7….) K(cid:2)t c(cid:3)u: • Roto:
2
g g g của ñĩa nghiêng (máy piston roto - khối xilanh hình trụ (roto) ch ñộng quay, trên khối XL có khoan các lỗ xilanh phân bố ñều, hướng kính hoặc hướng trục - Roto quay (cid:1) các piston tịnh tiến trong lỗ XL nhờ vào: Độ lệch tâm e giữa roto và stato (máy piston roto hướng kính) hoặc Góc nghiêng g hướng trục)
• Chuyển ñộng làm việc: chuy(cid:4)n ñ(cid:6)ng t(cid:7)nh ti(cid:2)n c(cid:8)a các piston trong l(cid:9) xilanh và chuy(cid:4)n ñ(cid:6)ng quay c(cid:8)a kh(cid:10)i xilanh (roto) (cid:1) máy piston roto.
1
Đ(cid:12)c ñi(cid:4)m: • Áp suất cao (có thể ñạt 350 at); lưu lượng nhỏ • Có thể ñiều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vòng quay không ñổi
• Hiệu suất cao (tổn thất cơ khí nhỏ, tổn thất do rò rỉ ít) • Có thể làm việc với svq lớn (ñến 20.000v/ph) vì không sử dụng van hút, van ñẩy.
• CL ñi vào , ñi ra khỏi XL thông qua trục phân phối (máy hướng kính) hoặc ñĩa phân phối (máy hướng trục)
3
• Phạm vi ñiều chỉnh rộng.
Phân lo(cid:13)i: •
Máy piston roto hướng kính: các lỗ XL phân
bố ñều trên khối XL theo phương hướng kính (thẳng góc với trục quay của khối xilanh)
•
Máy piston roto hướng trục: các lỗ XL phân bố ñều trên khối XL theo phương dọc trục ( song song với trục quay của khối xilanh)
4
2
§2. Bơm piston rotor hướng kính
II
a
1
2
3
P1
A
I
III
B
5
IV
5
I. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
II
• Phần quay 1 (roto:khối xilanh) ñặt lệch tâm trong phần cố ñịnh 2 (stato: vỏ).
1
2
3
• Trên khối XL có khoan các lỗ xi lanh phân bố ñều theo phương hướng kính. P1
A
I
III
B
5
• Piston có dạng trụ, không có cần, có xu hướng ñi ra nhờ các lò xo ñặt trong lỗ XL (cid:1) ñầu piston tì vào vành stato. • e : ñộ lệch tâm giữa vỏ (vành
IV
=
a
6
2p Z
stato) và khối XL (roto) • Z : số lỗ XL trên 1 mặt cắt ngang của khối XL (Ví dụ Z=5) : góc giữa 2 lỗ XL
3
Trục phân phối
• Trục phân phối là lõi cố ñịnh
của stato,
• Khối XL quay lồng không trên
trục phân phối.
• Trên trục phân phối có 2 rãnh A, B hình bán nguyệt, thông với ống hút và ống ñẩy nhờ 2 lỗ a, b
7
II
A
I
III
B
• Ở nửa trên stato, piston ñi ra, áp suất trong lỗ XL giảm, CL ñược hút vào XL qua lổ a và bọng hút A: quá trình hút của bơm.
IV
8
• Ở nửa dưới stato, piston bị vành stato ép (cid:1) chuyển ñộng ñi vào, CL ñược nén vào bọng ñẩy B, ñi ra ngoài theo ñường dẫn b: quá trình ñẩy của bơm. • Bọng hút A, bọng ñẩy B là 2 rãnh hình bán nguyệt phay trên trục phân phối 4 (cố ñịnh), cách nhau bởi 1 rãnh ngăn • Đường dẫn a, b ñược khoan dọc theo trục phân phối ñể dẫn CL vào và ra • Roto quay theo chiều ngược lại (cid:1) B: bọng hút, A: bọng ñẩy.
4
Động cơ piston roto hướng kính
• •
•
9
CL áp suất cao ñược ñưa vào lỗ XL Áp lực CL tác dụng lên bề mặt piston, thông qua piston tác dụng lên thành stato, tạo ra lực tiếp tuyến (cid:1) tạo ra moment làm quay roto Không cần lò xo ñặt trong lỗ XL vì CL áp suất lớn luôn ñẩy ñầu piston chuyển ñộng ñi ra theo phương hướng kính.
Đặc ñiểm
• Áp suất làm việc có thể ñạt 250 at • CL vào và ra khỏi XL qua trục phân phối (cid:2) không sử dụng van (cid:1) bơm làm viêc với svq lớn (ñến 20.000 v/ph).
• Điều chỉnh lưu lượng nhờ ñộ lệch tâm của roto.
Các thông số cơ bản: Q, N, M, n, p
p càng lớn (cid:1) yêu cầu về ñộ chính xác chế tạo, ñộ bền,
10
ñộ kín khít phải càng tốt. • n quá lớn sẽ hạn chế khả năng ñiền ñầy của CL trong lỗ XL trong quá trình làm việc.
5
II. Động học piston
A
t=0: piston ở vị trí A
O1: tâm vành stato; O2: tâm khối roto; • • Thời ñiểm t: piston ở vị trí C r C .t: góc quay của roto; a a a a O1
e O2 R
j j j j j =w r = O1C: bán kính stato; R= O2C = f(t) Pis. tịnh tiến trong XL 1 ñoạn: x = O2A - O2C
= (O2O1 +O1A ) - O2C B x = e + r – R (1)
11
a
j
(2) R= O2C=O2O1.cos j +O1C.cos a ⇒ R = e.cosj + r.cosa
sin
sin
e (cid:215)= r
2
2
2
j
a
=
j
=
= e.sin j ⇒ O1H = r.sin a
sin
1
cos
1
sin
2
e- r
2
a
j
-
⇒
cos
1
sin
1 2
e r
2
2
=
j
+
- @ (3)
j sin
= eR .
j cos
r
j cos
e .
-+ r
2 sin
1 2
e r
1 2
e r
1
2
j
j
- (2) (cid:1)
(cid:215)= eR
cos
sin
r -+ e
1 2
2
e r )
j
j
(cid:215) (cid:215) (4)
x
(cid:215)= e
cos
sin
(cid:215) - (5)
( 1
12
1 (cid:215)+ 2
e r
(1) (cid:1)
6
Vận tốc chñộng tịnh tiến của piston trong XL
2
)
=
=
j
+
j
v
e
cos
sin
dx dt
d dt
e r
1 2
( 1
<<
j
w
j
+
- (cid:215)
;
j 2sin
sin
v
(cid:215)= e
sin
j 2sin
1 2
e r
1 2
e r
(cid:215)
.sinj
⇒ v @ e.w
p
p
(
=
-=
-=
=
(6) j = 90o ⇒ sin j =1 ⇒ vmax = e.w
j
j
j
w e .
sin.
d .
w e .
.
cos
w e .
) 11
vtb
- -
∫
w e .2 p
1 p
1 p
1 p
0
0
Y =
=
1 57 ,
vtb: vận tốc trung bình khi pis. chuyển ñộng tịnh tiến vào tâm. w
e . 2 . e
13
v = max v tb
w Hệ số dao ñộng vận tốc của 1 cặp piston – XL : p
Vận tốc của ñầu piston trên vành stato
2
• Piston quay theo khối XL và tì vào stato (cid:1) ñiểm mút ñầu piston có vận tốc vòng (quay với w =const và khoảng cách R thay ñổi)
=
w
j
j
(cid:215)= e
w R .
cos
sin
vd
r -+ e
e r
1 2
(7) (cid:215)
Gia tốc của piston + Gia tốc của chuyển ñộng tương ñối (chuyển ñộng tịnh
14
tiến của piston trong xilanh) + Gia tốc của chuyển ñộng theo (chuyển ñộng quay của khối xilanh) + Gia tốc Coriolit
7
III. Lưu lượng
1. Lưu lượng trung bình • V: Thể tích làm việc của 1 lỗ XL • d: Đường kính lỗ XL • S = 2e: Hành trình của piston trong lỗ XL • Z : Số lỗ XL trên 1 mặt cắt ngang của khối roto • • n : Số vòng quay của khối XL trong 1 phút
2
p
= (cid:215)
i : Số dãy lỗ XL dọc theo trục khối XL (thường i=1)
i Z
e 2
q Lưu lượng riêng: lt
d 4
2
p
=
(cid:215) (cid:215)
e i Z 2
Q lt
15
d 4
n 60
2 Lưu lượng tức thời Lưu lượng tức thời do 1 cặp piston - XL tại vị trí j
2
p
=
w
j
(cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (8) Lưu lượng lý thuyết trung bình:
= vFQ .
e
sin
j
pis
d 4
(cid:215) (cid:215) (cid:215)
: tổng lưu lượng tức thời của các cặp piston - XL S j S j S j S
j Qj ñang thực hiện quá trình ñẩy m + 1 : số cặp piston XL ñang thực hiện quá trình ñẩy : góc của XL thứ 1 (ñang thực hiện quá trình ñẩy)
2
p
w
j
( j
( j
] )
=
+
+
+
+
j + a : góc chỉ vị trí của XL thứ 2 j + m.a : góc chỉ vị trí của XL thứ m+1
[ sin
sin
) ...
sin
e
a
ma
Q j
(cid:215) (cid:215) (cid:215) S
2
p
16
w
( j
)
=
+
(9)
e
sin
. ai
( i
‚= 0
)m
Q j
∑
d 4 d 4
(cid:215) (cid:215) (cid:215) S
8
0=S
dQ j j d
2
p
] )
=
+
+
+
+
=
Lưu lượng tức thời cực ñại: tại j (cid:1) o
w
j
e
[ cos
( j cos
) ...
a
( j cos
ma
0
o
o
o
dQ j j d
d 4
j
o
j
+
j
j
+
j
)
j
(cid:215) (cid:215) (cid:215)
⇒
cos
cos
cos
a
sin
.....
cos
( cos ma
sin
)ma (
sin
o
o
o
o
o
+ a )
+
1
=
(cid:215) - (cid:215) (cid:215) - (cid:215)
⇒ j
o : góc dao ñộng của bơm
tg o
cos sin a
++ ... a ++ ...
sin
sin ( cos ma ( )ma
: j
Y =
Lưu lượng tức thời bé nhất: ứng với góc j = 0
Q max Q tb
Hệ số lưu lượng không ñều:
)
Q
Q
Q
Q
max
min
max
min
d =
=
+
Q
( 2 Q
Q
tb
max
min
17
- - Hệ số dao ñộng lưu lượng:
o
Số lượng piston Z lớn, lẻ (cid:1) hệ số dao ñộng lưu lượng d nhỏ
= -
1 cos
180 Z
d
o
= -
(10)
1 cos
le 90 Z
chan
18
d
9
3. Điều chỉnh lưu lượng bơm pis-roto hướng kính
2
=
Q
e i Z
lt
d 2
n 60
p (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215)
Đường kính piston d, số XL Z, số hàng XL i: không ñổi (cid:1) chỉ có thể ñiều chỉnh lưu lượng bằng cách: • thay ñổi số vòng quay n của roto • thay ñổi ñộ lệch tâm e bằng cách xê dịch stato ñể roto dần dần vào giữa stato
19
e =
Lưu lượng lớn nhất của bơm ứng với emax Lưu lượng bé nhất khi roto và stato ñồng tâm: e = 0 ⇒ Q = 0
e e max
: hệ số ñiều chỉnh lưu lượng
e = 1 ⇒ Q = Qmax e = 0 ⇒ Q = 0 e < 0 : (tiếp tục thay ñổi e theo phía ngược lại) (cid:1) dòng CL vào bơm theo chiều ngược lại (cid:1) buồng ñẩy trở thành buồng hút Có thể cho máy làm việc ñảo chiều mà không cần thay ñổi chiều quay của roto
20
10
IV. Lực và moment
1. Lực: •
A
T
C N a P e Xét 1 piston ở quá trình ñẩy, ñầu piston tì vào thành stato (cid:1) thành stato tác dụng vào ñầu piston 1 lực hướng vào tâm stato O1: vành stato tác dụng lên piston phản lực N
• Chia N thành 2 thành phần:
j • B
21
P và T vuông góc với nhau P = N. cos a : theo phương trục piston, cân bằng với áp lực của CL tác dụng lên mặt piston
p
(cid:215)=
(11)
(cid:215)= pFpP
A
2d 4
T
C N a P e
(12)
j a a a a a a = P. tg a B
22
T = N.sin a Bơm: T sinh moment cản Động cơ thủy lực: T sinh moment ñộng (làm quay roto)
11
2
sin
(cid:215)= tgPT
(cid:215)=a p
(13)
2
d 4
e r
2
j p (cid:215) (cid:215)
1
sin
e r
-
2
j
p
=
=
N
p
P cos
(14)
2
1
sin
d 4 2
e r
a - j
Nhận xét: Các lực sinh ra trong quá trình làm việc của bơm sẽ dao ñộng theo t (hàm tuần hoàn theo j ) Đối với 1 piston:
j = 0 ⇒ sin j = 0 ⇒ T = 0 j = 90o ⇒ sin j =1 ⇒ T = Tmax
23
a
+
(cid:215)= PT
) Do có ma sát giữa bề mặt piston và XL, giữa ñầu piston và thành stato (cid:1) ñối với ñộng cơ: T = P.tg (a + Y Y : góc ma sát ⇒ hệ số ma sát: f = tg Y
tg 1
f
f a tg
P
P
=
=
=
N
)
+
(cid:215) -
( cos
cos
cos
sin
sin
cos
cos
tg
.cos
P sin
P
=⇒ N
a
)a
(cid:215) - (cid:215) (cid:215) - (cid:215) a a a a a Y Y Y Y Y Y
cos
( cos
f
sin
(cid:215) - (cid:215) Y
max
max= sina
max= 0,1; cosa
max= 0,995
a Trong thiết kế: £ 6o ⇒ tga
+
T
(cid:215)= P
max
(cid:1) Tmax; Nmax (dùng ñể tính bền)
f 1,0 1,01 f
(15)
=
N
max
-
cos
P ( 995,0
))1,0 f
24
- Y
12
2. Moment
(16)
sin
2
= (cid:215) T P
j (cid:215)
2
cos
sin
2
= R e
r + - e
e r
1 2
sin
1
e r
j j j - • Máy là ñộng cơ: lực tiếp tuyến T sinh moment quay. • Moment quay tác dụng lên 1 piston: M = T.R R: khoảng cách từ ñầu piston ñến tâm roto e r
sin
2
= (cid:215) M P
e
cos
sin
2
r + - e
e r
1 2
2
(cid:215) j (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) j j
sin
1
e r
e r
25
j2
- j
sin
e r
2
+
(cid:215) Bỏ qua
(17)
= (cid:215) M P
sin
cos
e r
r e
(cid:215) (cid:215) j j
m
=
M
(cid:215)∑
∑
T Ri
i
=
i
0
Moment quay tác dụng lên roto bằng tổng moment quay tạo nên bởi các lực Ti tác dụng lên các piston ở trong trạng thái ñẩy khi máy làm việc
Moment quay phụ thuộc góc j , tỉ lệ thuận với ñộ lệch tâm e. Đcơ piston roto hướng kính: ñiều chỉnh ñược moment quay bằng cách thay ñổi ñộ lệch tâm e; không cần thay ñổi áp suất dòng CL ñưa vào máy 26
13
V. Sự phân phối CL trong bơm - Trục phân phối
(cid:1) • Roto quay theo chiều như hình vẽ, nửa trên trục phân phối chịu áp suất hút ph; nửa dưới chịu áp suất ñẩy pñ tải trọng ngang tác dụng lên trục phân phối;
• Dùng bi(cid:1)n pháp cân b(cid:14)ng th(cid:8)y l(cid:15)c ñể giảm bớt tải trọng tác dụng lên bề mặt trục phân phối (cid:1) làm tăng tuổi thọ của máy. a) Làm rãnh trên trục phân phối: tiện hai rãnh vòng tạo sự
thông chất lỏng; ở phần rãnh áp suất có giá trị như nhau trên toàn bộ chu vi rãnh b) Khoan lỗ trên trục phân phối:
27
Khoan lỗ thông từ khu vực áp suất cao ñến khu vực áp suất thấp trên trục phân phối ta
Hiện tượng chất lỏng bị nén trong xilanh • Piston ở nửa trái của stato (cid:1) áp suất ph • Piston ở nửa phải của stato (cid:1) piston làm việc với pñ • Khi kích thước vách ngăn lớn hơn ñường kính lỗ vào
của XL (cid:1) piston bắt ñầu quá trình nén nhưng lỗ XL vẫn chưa ñược nối với khoang ñẩy B, (cid:1) CL bị nén trong XL (cid:1) áp suất rất lớn tác dụng lên trục phân phối.
• Biện pháp khắc phục - Chế tạo b < a : tổn thất lưu lượng tăng do rò rỉ qua khoang hút
28
- Chế tạo b = a : rất khó ñảm bảo ñộ chính xác - Chế tạo b>a, dịch vách ngăn về phía trái (phía hút) (cid:1) khi piston ở vị trí tương ứng với CL bị nén thì ñang ở quá trình hút (cid:1) không có hiện tượng CL bị nén trong XL
14
§3. Bơm - ñcơ piston roto hướng trục
I. Cấu tạo – nguyên lý làm việc
B
A
5
29
B
A
5
- Khối xilanh (1) quay (roto) - Đĩa nghiêng cố ñịnh: roto quay, ñầu piston (2) tì vào ñĩa nghiêng (3), góc nghiêng g (cid:1) piston chuyển ñộng tịnh tiến trong khối XL (cid:1) quá trình hút, ñẩy.
- Đĩa phân phối: Mặt ñáy của khối XL ñược lắp sát với ñĩa phân phối cố ñịnh (4).
Trên ñĩa phân phối có 2 rãnh hình vòng cung A, B (bọng hút, bọng ñẩy),
Hai rãnh A, B thông với 2 lỗ a, b ñược khoan theo phương 30 dọc trục của ñĩa (4) ñể dẫn chất lỏng ra vào trong lỗ XL.
15
h h
Đ(cid:12)c ñi(cid:4)m: - Số vòng quay lớn (20.000 v/ph). - Hiệu suất cao : h Q = 0,97 ‚ 0,98 h = 0,95 ; h - Trọng lượng trên 1 ñơn vị công suất: nhỏ - Độ nhạy ñiều chỉnh lớn:
Từ 0 ‚ Qmax: 0,04 giây; Từ Qmax ‚ 0: 0,02 giây
dxilanh= (10 ‚ 50)mm - Số lỗ XL: Z = 9 ‚ 7 Đường kính lỗ xilanh
‚ ‚ ‚ 350) at
31
- Góc nghiêng g = 20o (ñối với bơm) ; g = 30o (ñối với ñcơ) - Ap suất làm việc p = (210 ‚ - Lưu lượng có thể ñạt 1000 ‚ 1800 lit/phút - Đcơ pisroto hướng trục, với áp suất của dầu (220 ‚ 280)at có thể tạo moment quay (8000 ‚ 9000) N.m
g
II. Động học piston
S
x
A j =w .t
B
.t, ñầu piston vạch trên ñĩa nghiêng
32
t=0 (cid:1) j =0; ñầu piston ở A t (cid:1) Khối XL quay 1 góc j =w từ A ñến B x: ñoạn ñường dịch chuyển của piston trong XL ứng với góc j x = A’B’.sin g = (OA’ - OB’).sin g = (OA - OB.cos j ).sin g x = (R - R.cos j ).sin g R: vòng tròn do ñầu piston vạch trên ñĩa nghiêng
16
(18)
g x = R .(1 - cos j ).sin g
S x
Vận tốc tịnh tiến của piston trong XL
(19)
=
v
= . R
.sin .sin
Dr
dx dt
2
A j w j g =w .t B
=
Q
=. q n
.
. S Z n
.
lt
III. Lưu lượng 1. Lưu lượng trung bình
d 4
=
=
p
= S D
.sin
.sin
. D tg r
D r cos
g g g g
33
Dr : ñường kính vòng tròn (trên mp vuông góc với trục bơm) trên ñó phân bố các tâm lỗ xilanh
2
2
2. Lưu lượng tức thời
=
q
(cid:215) = v
sin
R
sin
2
p p w g j (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) j 1 cặp piston-XL: d 4
)
)
=
( +
p w g j j j (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215)
d 4 m+1 piston ñang thực hiện quá trình ñẩy [
]
( + + + a
+ sin
sin
sin
R
Q
... sin
ma
d 4
j
34
3 Điều chỉnh lưu lượng : Thay ñổi góc g của ñĩa nghiêng (cid:1) hành trình S = Dr. tg g - Giảm dần g (cid:1) lưu lượng giảm - g = 0 thì Q = 0 - Tiếp tục cho g ngược với góc nghiêng ban ñầu (cid:1) máy làm việc ngược lại, bọng hút A trở thành bọng ñẩy
17
IV. Lực và moment quay
• Bơm: áp suất trong XL trong quá trình ñẩy tác dụng lên piston (cid:1) áp lực (cid:1) piston tì vào ñĩa nghiêng (cid:1) tạo áp lực phát sinh ra moment cản trên trục bơm (cid:1) ñộng cơ kéo bơm phải khắc phục moment cản này.
p
• Động cơ thủy lực: áp suất CL tác dụng lên piston làm ñầu piston tì vào thành ñĩa nghiêng (cid:1) sinh ra moment làm roto quay
= pP .
2d 4
Ap lực tác dụng lên piston:
35
p
Lực P thông qua ñầu piston tác dụng lên ñĩa nghiêng và phân thành 2 lực: N = P.cos g - Q = P.sin g - : thẳng góc với mặt phẳng ñĩa : nằm trong mặt phẳng ñĩa và // trục x,
= pP .
2d 4
Ap lực tác dụng lên piston:
y
T
x
Q
R
Lực P thông qua ñầu piston tác dụng lên ñĩa nghiêng và phân thành 2 lực: N = P.cos g - Q = P.sin g - : thẳng góc với mặt phẳng ñĩa (bk R) : nằm trong mặt phẳng ñĩa; // trục x,
O
y
x
x
Q
P
x
N
36
j
y
g
18
Q gồm 2 thành phần:
tạo moment quay
y
T
x
Q
R
- Lực tiếp tuyến T = Q.sin j - Lực hướng tâm Qn= Q.cos j
O
y
x
x
Q
P
x
N
j
37
y
g
M = T.R = Q.sinj
.R = R.P.sing .sinj
(22)
⇒ M = Rr.P.tgg .sinj
Moment do lực T tạo ra trên trục (tính cho 1 piston ):
m
(
)
= (cid:215)
Tổng moment gây ra trên trục máy là tổng của moment do (m+1) piston ñang chịu áp lực gây ra
M P R tg
ia
+∑g sin .
∑
(23)
r
=
i
0
(cid:215) j
38
Moment thay ñổi phụ thuộc góc nghiêng g của ñĩa (cid:1) có thể ñiều chỉnh moment quay của ñcơ thủy lực bằng cách thay ñổi góc nghiêng g của ñĩa, không cần thay ñổi áp suất làm việc p của CL
19
IV. Cơ cấu phân phối chất lỏng • Cơ cấu phân phối chất lỏng làm nhiệm vụ ñưa chất lỏng vào xilanh trong quá trình hút và ñưa chất lỏng ra ngoài trong quá trình ñẩy.
• Đối với máy piston roto hướng trục, cơ cấu phân phối chất lỏng chủ yếu là ñĩa phân phối, (cơ cấu phân phối mặt ñầu).
39
• Độ làm việc tin cậy của cơ cấu phân phối phụ thuộc vào ñộ chính xác tính toán và chất lượng vật liệu (ít bị mài mòn) cũng như chất lượng chế tạo các cặp tiếp xúc.
20
