Bài giảng Máy thủy khí - Chương 3: Máy thể tích bơm Piston

Chương 3

MÁY THỂ TÍCH BƠM PISTON – Xilanh thủy lực

§1. Khái niệm chung về máy THỂ TÍCH - Nguyên lý làm việc của Bơm PISTON

Rotory Pumps

I. Khái niệm chung về máy THỂ TÍCH

• Nguyên lý làm việc: nén chất lỏng trong

1 thể tích kín nhờ: - Chuyển ñộng tịnh tiến của piston trong xilanh hoặc - Chuyển ñộng quay của roto (bánh răng) trong stato (vỏ bơm).

• Bị nén ⇒ áp năng của dòng chảy thay

ñổi, ñộng năng » const ⇒ máy thủy tĩnh

Phân loại máy thể tích

• Máy piston (chuyển ñộng tịnh tiến) • Máy roto (chuyển ñộng quay) • Máy piston roto (piston chuyển ñộng tịnh tiến nhờ chuyển ñộng quay của khối roto).

V(cid:1) nguyên t(cid:2)c, máy th(cid:3) tích có th(cid:3) làm ñ(cid:5)(cid:6)c hai nhi(cid:7)m v(cid:8): bơm và ñ(cid:10)ng cơ th(cid:11)y l(cid:12)c

II. Cấu tạo bơm piston – Đặc ñiểm làm việc

b b b b

O

7

Bơm piston tác d(cid:8)ng ñơn (piston ñĩa)

B(cid:13)M PISTON TR(cid:14)

R T

b b b b

• Buồng làm việc V: giới hạn bởi xilanh 2, bề mặt piston 1, hộp van 5.

• Nguyên lý làm việc:

Động cơ ñiện dẫn ñộng tay quay 9, thông qua thanh truyền 10 (cid:1) chuy(cid:3)n ñ(cid:10)ng t(cid:15)nh ti(cid:16)n c(cid:11)a piston trong XL

R T

b b b b

• Piston 1 sang trái ⇒ thể tích buồng V tăng ⇒ áp suất trong V giảm ⇒ trong V có áp suất chân không ⇒ Van hút 6 mở, Van ñẩy 4 ñóng, CL theo ống hút 7 ñi vào buồng V.

• Piston 1 sang phải ⇒ CL bị nén, áp suất trong

V tăng ⇒ van hút 6 ñóng, khi p = áp suất phụ tải (cid:1) van ñẩy 4 mở (cid:1) CL ñi ra theo ống ñẩy 3. • Trong 1 vòng quay (cid:1) 1 lần hút + 1 lần ñẩy: bơm piston tác dụng ñơn

Đặc ñiểm chung của máy thể tích

• Yêu cầu CL làm việc: sạch, không có các hạt

cứng

• Khe hở làm việc (thành xilanh - piston): rất bé

ñể ñảm bảo ñộ kín, ñáp ứng yêu cầu cao của áp suất làm việc

• Dòng chảy qua ống hút, ñẩy: không liên tục, không ổn ñịnh (cid:2) hi(cid:7)n t(cid:5)(cid:6)ng dao ñ(cid:10)ng l(cid:5)u l(cid:5)(cid:6)ng và áp su(cid:17)t (nhược ñiểm cơ bản) ⇒ sử dụng bình ñiều hòa.

• Khả năng tự hút của bơm thể tích: có thể tự

khởi ñộng, không cần mồi bơm.

III. Phân loại bơm piston

• Theo phương pháp dẫn ñộng: -- Bơm tay: (dẫn ñộng bằng tay) -- Bơm dẫn ñộng thẳng: cần piston nối trực tiếp với cần piston của ñộng cơ dẫn ñộng. -- Bơm dẫn ñộng bằng cơ cấu tay quay thanh truyền:

• Theo kết cấu piston:

-- Piston ñĩa: mặt bên piston tiếp xúc với thành xilanh, lót kín bằng các segment trên piston, (cid:1)y/cầu chế tạo chính xác. -- Piston trụ: ñường kính piston nhỏ:

Mặt tiếp xúc là piston - cổ xilanh (cid:1) lót kín rất tốt Lòng xilanh không cần chế tạo với ñộ chính xác cao. • Theo số lần tác dụng: Tác dụng ñơn - Tác dụng kép –

Tác dụng ba ...

Bơm piston tác dụng kép

Ống ñẩy chung

t=0

1,4 : Van hút

2,3 : Van ñẩy

Ống hút chung

Dpis: ñk piston dc: ñk cần piston

j =0 ‚ 180o: piston ñi về phía trái: A hút, B ñâỷ j = 180o ‚ 360o: piston ñi về phía phải: A ñẩy , B hút Trong 1 vòng quay của tay quay: 2 quá trình hút, 2 quá trình ñẩy: tác dụng kép 12

Bơm piston tác dụng ba

• Ba bơm tác dụng ñơn

• Dẫn ñộng bằng 1 trục khuỷu

• Góc lệch cổ khuỷu là 120o,

• Đường ống hút chung

• Đường ống ñẩy chung.

p > 20 at

Q > 60 m3/h Phân loại theo áp suất làm việc • Bơm áp suất thấp: p < 10 at • Bơm áp suất trung bình: p = (10 ‚ 20) at • Bơm áp suất cao: Phân loại theo lưu lượng • Bơm lưu lượng nhỏ: Q < 15 m3/h • Bơm lưu lượng trung bình: Q = (15 ‚ 60) m3/h • Bơm lưu lượng lớn:

§2 Các thông số làm việc trong bơm thể tích

p vao

2 - v ra

= eH

e vào

vào

I) Cột áp H:

2 v vao g

- - -

p vao

p lv g

D - »

(cid:1) c(cid:10)t áp c(cid:11)a bơm th(cid:3) tích ph(cid:8) thu(cid:10)c: -- Ap suất phụ tải (áp suất yêu cầu tại nơi tiêu thụ) -- Khả năng lót kín: lót kín không tốt (cid:2) rò rỉ (cid:2) mất mát Q, H. -- Công suất ñộng cơ dẫn ñộng -- Độ bền các chi tiết chịu lực

= . q Q

II) Lưu lượng Q:

]sm / [

n 60

1) Lưu lượng trung bình:

• q: L(cid:5)u l(cid:5)(cid:6)ng riêng (trong 1 chu kỳ) • n: số chu kỳ làm việc (số vòng quay) trong 1 phút.

h D D h h Lưu lượng thực tế:

Q = Qlt - D

D Q = Qlt.h

Q

D D D

D Q: • lưu lượng rò rỉ trong bơm và rò rỉ ra ngoài • phụ thuộc chất lượng ñệm lót, ñộ nhớt chất lỏng, áp suất làm việc.

j :

j j

2) Lưu lượng tức thời Qj • Xác ñịnh tại thời ñiểm t (ứng với góc quay j ), • Qj

j = v.F

j j

F: diện tích mặt làm việc (của piston) v: vận tốc của dòng chảy (tại bề mặt làm

j )

j = f(t) = f(j

(piston):

j j việc) (của piston) • v thay ñổi theo t ⇒Qj j j

III. Lực tác dụng lên bề mặt làm việc P = plv. F

IV. Công suất - Hiệu suất:

I. Công suất thủy lực: Ntl = plv.Q

2. Công suất trên trục:

HQ h h

QpHQ = h

lv h

(cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215)

hiệu suất thủy lực (@ 1).

(cid:215) (cid:215)

§3. Lưu lượng bơm piston

I. Lưu lượng trung bình lý thuyết:

= qQlt .

n 60

1. Lưu lượng riêng q (m3/vòng): • Bơm tác dụng ñơn: qdon = F.S = F.2RT • Bơm tác dụng kép: qkep = (2F - f).S • Bơm tác dụng ba: qba = 3F.S

Q

h h 2. Lưu lượng trung bình thực: Q = Qlt. h h 3. Hiệu suất lưu lượng:

h • D < 150 mm

h • 150mm

Q = 0,85 ‚ 0,90 Q = 0,90 ‚ 0,95 Q = 0,95 ‚ 0,98

h • D > 300 mm

‚ ‚ ‚ 2

4. Tỉ số S/Dpis (S=2RT): 5. Vtốc tbình của piston: S/Dpis = 0,8 ‚ vtb = 0,5 ‚ 0,9 m/s

6. Điều chỉnh lưu lượng

Điều chỉnh: • Số vòng quay n (cid:1) nhược ñiểm:

+ Động cơ có svq thay ñổi hoặc dùng thêm bộ biến

tốc (cid:1) ñắt tiền

+Svq n bị giới hạn (n<300v/ph): (lực quán tính do

chuyển ñộng không ổn ñịnh của CL trong bơm)

• Hành trình làm việc của piston (thay ñổi RT)

• Diện tích mặt làm việc của piston (khó thực hiện)

• Dùng ti(cid:16)t l(cid:5)u ñ(cid:3) x(cid:18) b(cid:19)t ch(cid:17)t l(cid:20)ng t(cid:21) bu(cid:22)ng ñ(cid:23)y v(cid:1) bu(cid:22)ng hút ho(cid:24)c b(cid:3) hút: th(cid:5)(cid:25)ng ñ(cid:5)(cid:6)c s(cid:26) d(cid:8)ng.

II. Lưu lượng tức thời: Qj

j = F.vpis

v pis

dx dt

j j

j j ) : quãng ñường x=RT(1 - cos j j dịch chuyển của piston ứng với góc quay j của tay quay

b b b b

O

(cid:215)=

(cid:215) (cid:215)

Bơm tác dụng ñơn (cid:215)= F

sin

Q j

R T

pis

⇒

180

hut Q j

min w

Trên ñường ống hút:

o ,0 ⇒= o 90

(cid:215)= F

hut Q j

max

R T

(cid:215)

⇒

180

360

day Q j

min

Trên ñường ống ñẩy:

⇒

270

(cid:215)= F

day Q j

max

R T

(cid:215)

huït

Qmax

Lưu lượng tức thời của bơm piston tác dụng ñơn

âáøy

Qmax

Y =

= don

⇒ Y

Q max Q lt

Q = max Q lt

p j

Hệ số dao ñộng lưu lượng

Lưu lượng tức thời bơm piston tác dụng kép

Boí qua dc

huït

Qmax

âáøy

Y =

= kep

⇒ Y

Q max Q lt

Q = max Q lt

Lưu lượng bơm piston tác dụng ba

Y =

⇒ Y = ba

Q max Q lt

Q = max Q lt

Khắc phục dao ñộng lưu lượng

• Dao ñộng lưu lượng (cid:1) dao ñộng áp suất (cid:1)

-- áp suất có thể tăng rất lớn; ảnh hưởng ñến sức bền; ảnh hưởng ñến sự làm việc của hệ thống -- áp suất có thể giảm ñến giá trị rất bé(cid:1) hiện tượng xâm thực

• Biện pháp khắc phục:

- Sử dụng bơm tác dụng kép, tác dụng 3,

piston roto

Bình ñiều hòa

• bình kín, có kích thước lớn, có chứa

không khí;

• ñặt trên ñường ống hút (ngay sát cửa

- Sử dụng bình ñiều hòa:

vào của bơm) (cid:1)ñiều hòa lưu lượng và áp suất trong ñường ống hút

• hoặc ñặt trên ñường ống ñẩy (ngay sát

cửa ra của bơm ) (cid:1) ñiều hòa lưu lượng và áp suất trong ñường ống ñẩy.

Bình ñiều hòa

pdư=const

pck=const

Bình ĐH

Đoạn ống ngắn

pck=const

Đoạn ống ngắn

a) Bình ñiều hòa hút: • Ống ngắn 1 nối cửa vào của van hút và BĐH • Ống hút (dài) nối thông BĐH với bể hút (bể chứa).

• Độ chân không trên mặt thoáng BĐH gần như không thay ñổi (cid:1) dòng chảy trên ñường ống hút ñi(cid:1)u hòa, không b(cid:15) dao ñ(cid:10)ng.

pdư=const

Bình ĐH

b) Bình ñiều hòa ñẩy: • CL ñi từ BĐH vào ống

ñẩy nhờ áp suất dư trên mặt thoáng của BĐH. • Do kích thước của bình lớn (cid:1) mực CL trong bình dao ñộng rất ít (cid:1) áp suất dư trên mặt thoáng bình gần như không ñổi (cid:1) dòng CL trong ống ñẩy luôn ñược ñiều hòa

• Lực quán tính chỉ xuất

mc x

hiện trên 1 ñoạn ngắn từ bơm ñến BĐH.

§4. Chuyển ñộng không ổn ñịnh của CL trong bơm - Áp suất trong XL trong quá trình hút:

mc O

Sơ ñồ tính áp suất trong XL trong quá trình hút 32

Ber: mc O (bê hút) ÷ mc x (sát bề mặt piston)

Cột áp quán tính hqt của dòng không dừng

mcx

¶ ∫ ¶

1 g

v t

l h g

dv h dt

x (cid:215)+ g

p dt

mcO

mc x

(cid:215)

v f h

(cid:215) = h

(cid:215) ⇒ = v F p

v h

F f

mcx

(cid:215)

∫

¶ ¶

1 g

v t

1 g

p dt

F f

  

  

mcO

mc O

mcx

(cid:215) (cid:215)

qdh g

p dt

∫1 g

v t

mca

¶ (cid:215) ¶

∑

whuït

2 v i 2 g

l i d

2 v i 2 g

= 1

(cid:215) (cid:215) z l

v i

F f

mc x

(cid:215)

∑

qdh

= 1i

F f

l d

F f

  

 + 

  

  

(cid:215) l z V

∑

mc O

whuït

qdh

2 p 2 g

Ber: mc O (bê hút) ÷ mc x (sát b(cid:1) m(cid:24)t piston)

mcx

++ x

h whut

∑

∫

p g

p xh g

¶ ¶

2 o g

1 g

v t

2 p g

v 2

mcO

qdh

2 p

)

( Z

( 1

qdh

dv dt

v g2

  

  

2 (cid:215)

( w

(cid:215) - g g

⇒

cos

(cid:215)

( w

R T

(cid:215) (cid:215)

)t

sin

R T

)

⇒

( 1

cos

-= 1

= Rx T

p dt x R T

)

sin

( cos

 = 

  

 1  

  

x R T

(cid:1) Áp suất trong XL thay ñổi theo x

- - - -

p xh

p a

(

)

(

( 22

+ 2 R x x

) + + Z x h

+ vh

  (cid:215) 

+ 1 qdh   2 g

qdh g

 )  R x T 

  

+ x=0 : (bắt ñầu hành trình hút)

qdh

min

z w w - (cid:215) (cid:215) - (cid:215) (cid:215) - g g

  

 > 

+ x=2RT : (cuối hành trình)

qdh

R T

max

)

w (cid:215) (cid:215) - g g g

( Z

R T

h vh

xh g

p a g

  

  

(cid:215) (cid:215) - -

qdh

min

  

 >  (cid:1)

w (cid:215) (cid:215) - g g g

Đkiện không xảy ra xâm thực: pxhmin > pbh • Hạn chế chiều cao hút Zh • Hạn chế số vòng quay n (giảm w ) (cid:1) giảm Lhút, tăng dhút. • Giảm Lqdh • Giảm trọng lượng van hút, giảm tổn thất qua van

qdh

min

hút.

  

 > 

w (cid:215) (cid:215) - g g g

D+

R T

h vh

max

qdh g

  

  

]

D+

- (cid:215) (cid:215) -

[ H

R T

h vh

qdh g

  

  

(cid:215) (cid:215) -

D h: cột áp dự trữ chống xâm thực. Nhiệt ñộ tăng (cid:2) pbh tăng, [Hck] giảm (cid:2) [ Zhut] giảm.

min

qdh g

 > 

  

w (cid:215) (cid:215) - g g g

min

h vh

p g

⇒

qdh

R T

qdh

     

     

     

- - - - - - g (cid:215) (cid:215) (cid:215) (cid:215) p

pxhmin > pbh

      (cid:1) svq cho phép: p a

p bh

h vh

- D - - -

[ ] n

qdh

R T

(cid:215) (cid:215)

‚ ‚ ‚ 300 v/ph bơm piston: n=100 ‚

§5. Đường ñặc tính của máy thể tích

Toàn bô lưu lượng rò rỉ hết ⇒ Q=0

Bắt ñầu xuất hiện rò rỉ ⇒ Q giảm

n2>n1

Rò rỉ sớm hơn do có rò rỉ qua van (van ñóng mở không kịp thời)

• Cột áp làm việc của bơm bị giới hạn do hiện

tượng rò rỉ CL,

• Hmax phụ thuộc chất lượng của các ñệm lót kín trong bơm và trong hệ thống.

• Khi H=const:

Q tăng khi n tăng vì Q tăng; H=const (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) D

Q giảm do mất mát qua

D D D Q

+ Q tăng khi n tăng vì Q=q.n + N=g QH (cid:1) N tăng khi Q tăng + h coi nh(cid:5) không thay ñ(cid:27)i. + Khi n tăng quá lớn(cid:1) h van (cid:1) ảnh hưởng ñến khả năng ñiền ñầy của buồng piston.

§6. Động cơ thủy lực kiểu piston (Xi lanh lực)

I. Cấu tạo – phân loại: bao gồm • piston chuyển ñộng trong xilanh, • ống dẫn chất lỏng vào và ra khỏi xilanh, • các van. Nguyên lý làm việc: ñưa vào XL 1 dòng CL có áp, áp suất CL tác ñộng lên piston (cid:1)piston chuyển ñộng trong XL (cid:1) chuyển ñộng của cơ cấu chấp hành của truyền ñộng thủy lực.

XL lực trong truyền ñộng thủy lực thể tích

B

A

Pphutai

a

b

1: Xilanh

2: piston

3: Båm cáúp dáöu

4 Q , p

4. Van phán phäúi

5, 6: âæåìng dáöu

Phân lo(cid:28)i ñ(cid:10)ng cơ th(cid:11)y l(cid:12)c ki(cid:3)u piston

1. Xilanh lực: chuyển ñộng tịnh tiến của piston trongxilanh

a. Theo k(cid:16)t c(cid:17)u: XLlực có cần 1 phía XLlực có cần 2 phía: v(cid:29)n t(cid:30)c và l(cid:12)c tác d(cid:8)ng khi ñưa CL vào 1 trong 2 phía là như nhau Nhược ñiểm:

- kích th(cid:5)(cid:19)c tăng do 2 phía ñều có cần - khó ñảm bảo ñộ ñồng tâm của lòng XL và 2 lỗ

1 cần. b. Theo s(cid:30) chi(cid:1)u tác d(cid:8)ng: XLlực tác dụng 1 phiá: CL ñi vào từ 1 phía, chuyển ñộng ngược lại (hồi vị) ñược thực hiện nhờ lò xo. XLlực tác dụng 2 phía: CL có thể ñi vào từ 2phía 2. Xilanh moment: chuyển ñộng quay với góc quay < 360o

(lắc).

II. Các tính toán cơ b(cid:18)n:

1. Di(cid:7)n tích làm vi(cid:7)c F c(cid:11)a piston: Lực tác ñộng vào piston do CL có áp suất p trong XL:

: lực quán tính,

F Pms: lực ma sát do piston ch ñộng trong XL Pqt

- Khi ñưa dầu vào buồng trái (cid:1) piston chñộng qua phải:

P = p.F - Pms +(-) Pqt : diện tích làm việc (chịu lực) của piston

)

(cid:215)

2D 4 - Khi ñưa dầu vào buồng phải (cid:1) piston chñộng qua trái: ( 2 dD 4

- (cid:215)

2. Đường kính cần piston: - chọn theo tiêu chuẩn, - tỉ số d/D chọn theo áp suất p

p (at) <= 15 15 ‚ 50 50 ‚ 100

d/D 0,35 0,5 0,7

3. Thể tích làm việc của XL lực:

phutai

P qt

– (cid:215) (cid:215)

4. Vận tốc chuyển ñộng của piston: v (m/s) Q (m3/s): lưu lượng CL nạp vào XL

v =

Q F

Khi không xét ñến rò rỉ:

(cid:1)Phải xác ñ(cid:15)nh ñúng giá trị của F trong từng trường hợp.

III. Các k(cid:16)t c(cid:17)u ñ(cid:24)c bi(cid:7)t: Xilanh l(cid:22)ng

Q, p

Hành trình làm việc dài so với kết cấu XL: S= S2+ S1 S2 : hành trình của piston 2 trong XL 3 S1 : hành trình của piston 1 trong XL 2 -- Đưa dầu vào I (cid:1) pis ñi về phía trái: chñộng làm việc -- Đưa dầu vào II và III: chñộng hồi vị

III. Các k(cid:16)t c(cid:17)u ñ(cid:24)c bi(cid:7)t: Xilanh b(cid:29)c Q, p

Piston B

Loîi XL

Xilanh A

- Đưa dầu vào ñường 1: vmax, Pmin P2 - Đưa dầu vào ñường 2: v2 - Đưa dầu vào ñường 1+2: vmin , Pmax - Đưa dầu vào ñường 3: chuyên ñộng hồi vị

a. Đưa dầu vào ñường 1: vmax, Pmin

(cid:215)= p

F 1

=⇒ v 1

P 1

(cid:215) (cid:215)

d 4

Q 4 d

d 4

b. Đưa dầu vào ñường 2:

(cid:215)

)

(cid:215)= p

F 2

=⇒ v 2

P 2

- (cid:215) - (cid:215)

)

Q 4 ( 2 dD

( 2 dD 4

c. Đưa dầu vào ñường 1+2: vmin , Pmax

- (cid:215)

(cid:215)= p

F 12

=⇒ v 12

P 12

(cid:215) (cid:215)

D 4

4 Q D

D 4

(cid:215)

d 0.02

D 0.06

D1 0.04

p(at) 20

vmax (m/s) 10

1. Tính Q

0.003142 m3/s

Q=vmax.F1=

2. Tính v, P

Đường 1 Đường 2

Đường (1) + (2) Đường (3)

10 F= v (m/s) P(N)

0.0003 0.00251 1.25 616.38 4931.06

0.00282744 1.11 5547.43728

0.0015708 2.00 3081.91

IV. Hi(cid:7)u su(cid:17)t c(cid:11)a XL l(cid:12)c

h h h

ck

h h h h ‚ ‚

ck = 0,85 ‚

Hiệu suất cơ khí: Bỏ qua lực quán tính của piston (cid:1) : Pphụtai= p.F - Pms = p.F. h ‚ 0,97: hiệu suất cơ khí do ma sát giữa piston và XL, phụ thuộc kết cấu, ñộ chính xác gia công, áp suất làmviệc, vận tốc chuyển ñộng.

h(cid:215)

QXL

v thuc

Hiệu suất lưu lượng: rò rỉ CL (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) vận tốc thực của pis:

@ 1

h h @ h h @ @