Chương 4: MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH

Chia sẻ: Nguyen Manh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

1.412
lượt xem 443
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

MTLTT bao gồm các loại bơm và động cơ thủy lực thể tích. Về nguyên tắc bất kỳ MTLTT nào cũng làm việc thuận nghịch, tức là làm được hai nhiệm vụ bơm và động cơ. Trên hình 4.1a là sơ đồ làm việc của của một bơm thể tích kiểu pittông có chuyển động tịnh tiến. Khi pittông 1 di chuyển sang trái, thể tích buồng làm việc a tăng lên, áp suất giảm đi nên chất lỏng từ ống hút 6 qua van một chiều 4 vào xi lanh 2. Khi pittông sang phải, dưới áp lực P của pittông, chất lỏng trong...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 4: MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH

Chương 4 MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH 4.1. Khái niệm cơ bản về máy thuỷ lực thể tích (MTLTT) 4.1.1. Nguyên lý làm việc của MTLTT MTLTT bao gồm các loại bơm và động cơ thủy lực thể tích. Về nguyên tắc bất kỳ MTLTT nào cũng làm việc thuận nghịch, tức là làm được hai nhiệm vụ bơm và động cơ. Trên hình 4.1a là sơ đồ làm việc của của một bơm thể tích kiểu pittông có chuyển động tịnh tiến. Khi pittông 1 di chuyển sang trái, thể tích buồng làm việc a tăng lên, áp suất giảm đi nên chất lỏng từ ống hút 6 qua van một chiều 4 vào xi lanh 2. Khi pittông sang phải, dưới áp lực P của pittông, chất lỏng trong xi lanh bị nén với áp suất p qua van một chiều 5 vào ống đẩy 3. Phần thể tích buồng làm việc thay đổi để hút và đẩy chất lỏng gọi là buồng làm việc. Nếu buồng làm việc hoàn toàn kín và bơm có đủ công suất thì áp suất làm việc của bơm p chỉ phụ thuộc vào áp suất chất lỏng trong ống đẩy. Trên hình 4.1b là sơ đồ làm việc của một động cơ thể tích có chuyển động quay, chất lỏng có áp suất cao vào động cơ tạo nên áp lực đẩy các cánh gạt 2 của roto 1 làm cho trục của động cơ quay. Hình 4.1 MTLTT gồm nhiều loại bơm và động cơ thủy lực nhưng phần lớn là bơm. Theo công dụng, MTLTT có thể chia thành hai loại: - Bơm nước và các loại chất lỏng khác - Bơm và động cơ dầu dùng trong các hệ thống truyền động. Theo kết cấu và dạng chuyển động có thể chia MTLTT thành ba loại chủ yếu sau: - Loại pittông (có chuyển động tịnh tiến) - Loại pittông rôto (vừa có chuyển động tịnh tiến, vừa có chuyển động quay – pittông quay và tịnh tiến) - Loại rôto (có chuyển động quay) 4.1.2. Các thông số cơ bản của MTLTT Theo nguyên lý áp suất của chất lỏng trong MTLTT chỉ phụ thuộc vào phụ tải ngoài. Nếu bảo đảm buồng làm việc hoàn toàn kín thì lưu lượng của máy thủy lực thể tích không phụ thuộc vào áp suất, còn áp suất có thể tăng lên bao nhiêu cũng được tùy thuộc vào áp suất 52
phụ tải và công suất của bơm. Khi đó lưu lượng của MTLTT chỉ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của pittông. Nhưng trong thực tế, buồng làm việc của MTLTT không thể bảo đảm tuyệt đối kín được với mọi trị số áp suất. Khi tăng tải trọng làm việc đến mức nào đó sẽ xuất hiện sự rò rỉ chất lỏng, nếu tiếp tục tăng thì đến một trị số áp suất giới hạn nào đóthì lưu lượng của máy sẽ hoàn toàn mất mát do rò rỉ. Ngoài ra áp suất làm việc còn bị giới hạn bởi sức bền của máy. Do đó để đảm bảo sự làm việc bình thường của MTLTT, phải hạn chế áp suất làm việc tối đa bằng cách dùng van an toàn. Khi tải trọng ngoài tăng đến mức độ nguy hiểm thì van an toàn sẽ tự động thải bớt chất lỏng để giảm áp suất làm việc của máy. a) Lưu lượng: Lưu lượng lý thuyết Ql (lưu lượng chưa kể tới sự rò rỉ) : Ql = ql.n (4-1) q1: lưu lượng riêng của máy (trong một chu kỳ làm việc) nó cũng chính là thể tích làm việc của máy trong một chu kỳ. n: số chu kỳ làm việc của máy trong một đơn vị thời gian (thường bằng số vòng quay của trục máy) Lưu lượng lý thuyết Ql lớn hơn lưu lượng thực tế Q của máy vì thực tế bao giừo cũng có sự rò rỉ. Q1 là lưu lượng tính trong cả quá trình trong một đơn vị thời gian nên còn gọi là lưu lượng trung bình lý thuyết. Khác với máy thủy lực cánh dẫn, lưu lượng tức thời của MTLTT thay đổi theo thời gian, kể cả khi máy làm việc ổn định. b) Áp suất: cột áp của MTLTT được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi áp suất tĩnh của chất lỏng khi chuyển động qua máy, do đó thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy. Cột áp H và áp suất p liên hệ với nhau bằng công thức cơ bản thủy tĩnh: p H= (4-2) γ Đối với MTLTT có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên một áp lực P: P = p.Ω (4-3) Ω: diện tích làm việc của mặt pittông Đối với MTLTT có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên mômen quay M: M = kM.p (4-4) kM là hằng số đối với một máy nhất định phụ thuộc vào kết cấu và kích thước máy, gọi là hệ số mômen Hệ số mômen kM có thể suy từ công thức tính công suất lý thuyết: Nl = γ .Ql.H (4-5) Thay (4-2) vào (4-5) được: Nl = Ql.p (4-6) Mặt khác: Nl = ω .M (4-7) Ql nên: M = .p (4-8) ω 53
So sánh (4-8) và (4-4) ta có: Ql q kM = = l (4-9) ω 2π Hệ số mômen thực tế nhỏ hơn hệ số mômen lý thuyết và phụ thuộc vào hiệu suất toàn phần η của máy Mômen quay M tính theo công thức (4-8) là trường hợp lý thuyết dùng chung cho cả bơm và động cơ. Nếu có kể tổn thất thì công thức tính mômen quay M cho động cơ và bơm phải tính riêng biết. - Đối với bơm: Q k MB = .p = M .p (4-10) η B .ω ηB - Đối với động cơ: Q M Đ = ηĐ . . p = η Đ .k M . p (4-11) ω c) Hiệu suất và công suất Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực được xác định theo công thức chung: η = η Q.η C.η H Đối với MTL tổn thất thủy lực tương đối nhỏ (vì động năng của các phần tử chất lỏng nhỏ) nên thường cho η H ≈ 1, do đó: η = η Q.η C (4-12) Công suất làm việc của bơm thường được xác định bằng các thông số thủy lực: γ .Q.H p.Q NB = = (4-13) η η Công suất làm việc của động cơ thường được xác định bằng các thông số cơ khí: - Đối với động cơ có chuyển động tịnh tiến: NĐ = P.v (4-14) P: áp lực trên pittông v: vận tốc của pittông - Đối với động cơ có chuyển động quay: NĐ = M.ω (4-15) M: mômen quay trên trục ω : vận tốc góc 4.2. Bơm Pittông 4.2.1. Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm pittông Bơm pittông có thể phân loại theo tính chất tác động, cấu tạo của quả nén, vị trí xi lanh và phương pháp nối tiếp quả nén với động cơ. 54
Theo tính chất tác động người ta phân bơm pittông thành các loại: bơm tác động đơn, bơm tác động kép, bơm tác động ba lần, vv… Sau đây ta nghiên cứu sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của một vài loại. a) Bơm pittông tác động đơn (hình 4-2 ) 6 M 4 2 1 3 Kr Kv V S S = 5 Hình 4-2 Bơm pittông tác động đơn gồm các bộ phận chính sau đây: xi lanh 1, quả nén 2, pit tông 3, ngăn công tác 4, ống hút 5, ống đẩy 6, khoá vào KV (khoá hút) và khoá ra Kr (khoá phun). Để kiểm tra sự hoạt động của bơm người ta lắp một áp kế trên ống đẩy và một chân không kế trên ống hút. Ngoài ra máy bơm thường có các hộp không khí lắp ở ống hút và ống đẩy để đảm bảo việc cấp chất lỏng được đều (hình 4-3). Nguyên lý làm việc: Khi quả nén chuyển động từ trái sang phải thì trong xi lanh tạo thành chân không, nhờ đó chất lỏng được dâng lên trong ống hút để chiếm lấy khoảng trống do quả nén tạo nên. Ngược lại, khi quả nén chuyển động từ phải sang ộp không khí nén H trái thì áp lực trong xi lanh tăng lên, khoá hút đóng kín, khoá phun mở ra, chất lỏng từ ngăn công tác được đẩy vào ống đẩy. Như vậy qua mỗi vòng quay của trục động cơ (một chu kỳ di chuyển của quả nén), trong bơm sẽ Kr thực hiện một lần hút và một lần đẩy chất lỏng. Kv V Nhược điểm của loại bơm này là cấp chất lỏng K h1 không đều và có nhiều chi tiết dễ bị bào mòn như: các van, khoá, xi lanh. Tác động của các hộp không khí lắp trên bơm: Pa H1 Trước khi cho máy bơm hoạt động, người ta đổ chất 55 Hình 4-3
lỏng vào bơm làm đầy ống hút và một phần của hộp không khí. Sau đó đống khoá ngăn cách giữa hộp không khí với khí trời. Khi bơm làm việc, quá trình hút chất lỏng được thực hiện ngay ở hộp không khí lắp trước bơm và ở đó tạo nên chân không; đồng thời chất lỏng được hút qua van một chiều theo ống hút đến hộp không khí. Do tiết diện của hộp không khí tương đối lớn so với tiết diện ống hút nên độ dao động mực chất lỏng trong hộp không khí có thể xem như không đáng kể và chuyển động của chất lỏng trong ống là ổn định. Kết quả làm sức cản thuỷ lực giảm xuống, độ cao hút tăng lên. Hộp không khí lắp trước ống đẩy (sau bơm) gọi là hộp không khí nén, có tác dụng điều tiết dòng chất lỏng chảy vào ống này được liên tục. Khi trong bơm xảy ra quá trình ép chất lỏng, áp suất trong ngăn công tác tăng đến độ khóa vào đóng, khoá phun mở thì một phần chất lỏng được ép trực tiếp vào ống đẩy, phần khác vào hộp không khí. Kết thúc quá trình này, khoá phun đóng, dưới áp lực của không khí nén phần chất lỏng còn lại trong hộp không khí được ép vào ống phun. Như vậy nhờ lắp thêm hộp không khí nén mà dòng chất lỏng trong ống đẩy của bơm được thường xuyên liên tục và đều đặn hơn. b) Bơm pittông tác động kép Bơm pit tông tác động kép (hình 4-4), hay còn gọi là bơm pittông tác động hai chiều. Kr Kr A B Kv Kv Hình 4-4 Bơm bao gồm: hai ngăn công tác A và B, hai khoá hút và hai khoá phun. Trong hoạt động của bơm, qua mỗi vòng quay của trục động cơ có hai lần hút và hai lần đẩy chất lỏng, do đó bơm làm việc đêu đặn hơn, năng suất cao hơn so với bơm tác động đơn. 4.2.2. Năng suất của bơm pittông Ta hãy phân tích hoạt động của bơm pittông và tìm công thức tính năng suất của nó. 56
Khi kết thúc quá trình hút thì lượng chất lỏng chứa trong ngăn công tác của bơm pittông tác động đơn là: W=ω .s (m3) (4-16) Trong đó: ω - Diện tích tiết diện của quả nén (m2) s – Bước di chuyển của quả nén (m). Lượng chất lỏng này sẽ được chuyển vào ống đẩy của bơm ngay sau khi kết thúc quá trình ép chất lỏng. Như vậy qua mỗi chu kỳ di chuyển của quả nén thì bơm vận chuyển được một thể tích chất lỏng là W (xác định từ biểu thức 4-16). Nếu trong một phút trục động cơ quay được n vòng hay là n lần quả nén di chuyển và trở lại vị trí ban đầu của nó, thì thể tích chất lỏng chảy vào ống phun là: Qlt = ω . s . n (m3/ph) ω.s.n Hoặc Qlt = (m3/s) (4-17) 60 Qlt - là năng suất lý thuyết. Tuy nhiên, năng suất thực tế có giá trị bé hơn, bởi vì trong quá trình làm việc của bơm sẽ có một phần chất lỏng chảy qua các kẽ hở, mặt khác do các khoá đóng và mở chậm nên không khí có thể xâm nhập vào ngăn công tác. Vì vậy năng suất thực tế của bơm được tính theo công thức sau: ω.s.n QT 1 = Qlt .ηv = .ηv (m3/s) (4-18) 60 ηv - hệ số đầy (hay hệ số thể tích), thường chọn ηv = (0,85 ÷ 0,99). Đối với bơm pittông tác động kép, qua mỗi vòng quay của trục động cơ (tức một bước kép di chuyển của quả nén) sẽ có một thể tích chất lỏng từ ngăn A chảy vào ống phun là: W1 = ω . s Và từ ngăn B là: W2 = (ω - ω p). s Trong đó: ω p - diện tích tiết diện của pittông. Như vậy nếu động cơ quay n (v/ph) thì năng suất của bơm tác động kép là: (W1 + W2 ).n QT 2 = .ηv 60 (2ω − ω p ).s.n Hoặc: QT 2 = .ηV (m3/s) (4-19) 60 Nhận xét: Qua phần phân tích tính toán trên ta thấy năng suất của bơm pittông có thể điều chỉnh được bằng các biện pháp sau: - Thay đổi số vòng quay của trục động cơ, hoặc thay đổi số chu kỳ làm việc của bơm trong một đơn vị thời gian. 57
- Điều chỉnh bằng khoá (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng đẩy về buồng hút của bơm. - Thay đổi diện tích làm việc của pit tông bằng các cơ cấu đặc biệt. - Thay đổi chiều dài bước di chuyển của quả nén (s) bằng cách thay đổi chiều dài làm việc của tay biên hoặc thanh truyền. 4.2.3. Cột áp quán tính, áp suất của bơm pittông a) Cột áp quán tính Vận tốc chuyển động của chất lỏng trong bơm phụ thuộc vào vận tốc của pittông v = dv f(t), có gia tốc ≠ 0 (có thể dương hoặc âm). Khối chất lỏng có khối lượng m chuyển dt động trong bơm sẽ chịu tác dụng của một lực quán tính là: dv I qt = − m (4-20) dt dv Do vận tốc v của pittông thay đổi có chu kỳ nên gia tốc cũng thay đổi một cách có dt chu kỳ cả về phương và trị số tuyệt đối, do đó lực quán tính sinh ra trong bơm pittông chính là một tải trọng động có chu kỳ. Tải trọng động này đôi khi rất lớn, nhất là đối với những bơm lớn có hệ số không đều về lưu lượng, ảnh hưởng không tốt đến bơm, đường ống và các bộ phận khác. Như vậy dòng chảy trong bơm là dòng không ổn định. Xét một dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động trong bơm từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt (2-2) bất kỳ nào đó. Vì dòng không ổn định nên biến thiên năng lượng đơn vị toàn phần của dòng chảy ngoài để khắc phục lực cản còn để khắc phục lực quán tính xuất hiện trên đoạn 1-2. 1 Nếu m = là khối lượng của một đơn vị trọng lượng thì lực quán tính tác dụng lên g 1 ∂v nó là: . do đó phương trình chuyển động của dòng nguyên tố của chất lỏng chuyển g ∂t động trong bơm pittông: ∂  p v 2  ∂σ 1 ∂v Z + + + + =0 (4-21) ∂s   γ 2 g  ∂s g ∂t  Trong đó: ∂σ là biến thiên của năng lượng do sức cản dọc theo dòng chảy; ∂s v: vận tốc trung bình của dòng chảy; Tích phân (4-21) ta được phương trình Becnuli cho toàn dòng không ổn định trong bơm pittông: p v2 1 ∂v Z+ + + ∑ h + ∫ .ds = const (4-22) γ 2g g ∂t 58
1 ∂v g ∫ ∂t So với phương trình cho dòng ổn định ta thấy trong (4-22) có thêm thành phần ds do lực quán tính xuất hiện trong dòng chảy nên gọi là cột áp quán tính, ký hiệu hqt: 1 ∂v g ∫ ∂t hqt = ds (4-23) b) Áp suất của bơm pittông * Áp suất của bơm pittông trong quá trình hút: có ảnh hưởng lớn đến khả năng hút và điều kiện làm việc của bơm. Xét một bơm pittông tác dụng đơn làm việc trong hệ thống. Viết phương trình Becnuli cho mặt cắt (a-a) và (b-b), lấy mặt chuẩn tại (a-a): pa p v2 = Z h + x1 + x1 + Σhh + hqth (4-24) γ γ 2g px1: áp suất buồng làm việc trong quá trình hút Zh: chiều cao hút địa hình vx1: vận tốc chất lỏng trong buồng làm việc (bằng vận tốc pittông) Σhh: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống hút. hqth: cột áp quán tính trên ống hút. Theo (4-23) ta có: Lh+ x 1 ∂v x1 hqth = g ∫ ∂t dl 0 Vì vận tốc vx1 chỉ phụ thuộc vào thời gian nên ∂v x1 dv x1 = d ∂t dt ( L + x) dv xl và hqth = h . (4-25) g dt x: khoảng cách từ mặt làm việc của pittông đến vị trí giới hạn chuyển động của pittông. Trong trường hợp tổng quát (ống hút có nhiều đoạn nối với các đường kính khác nhau) thì n F Lh = ∑ li i =1 f i F: diện tích mặt pittông fi: diện tích mặt cắt đường ống thứ i. và Lh được gọi là chiều dài tương đương của ống hút Thay vào (4-24) và biến đổi, ta được áp suất ở trong buồng làm việc của bơm trong quá trình hút đối với trường hợp tổng quát là: p x1 pa  v2 ( L + x) dv xl  = −  Z h + + x1 + Σhh + h .  (4-26) γ γ  2g g dt  59
Nhận xét: áp suất trong quá trình hút của bơm p x1 có trị số nhỏ nhất khi pittông mới bắt đầu chuyển động (x=0) và lớn nhất ở cuối hành trình (x = S), do đó điều kiện để bơm làm việc bình thường, không có hiện tượng xâm thực trong quá trình hút là:  p x1  p    γ   ≥  bh + ∆h   γ    x =0   Tức: pa  v2  p −  Z h + x1 + Σhh + hqt (max)  ≥ bh + ∆h (*) γ  2g  γ Đối với bơm pittông được truyền dẫn bằng cơ cấu thanh truyền tay quay, khi x = 0 có: Lh 2 hqt (max) = ω .R g Do đó: pa  2 v x1 (L )  p − Z h + + Σhh + h .ω 2 R  ≥ bh + ∆h (**) γ  2g g  γ * Áp suất của bơm pittông trong quá trình đẩy Tương tự như quá trình hút, ta viết phương trình Becnuli cho dòng chảy không ổn định giữa hai mặt cắt (b-b) và (c-c), lấy mặt cắt (b-b) làm chuẩn: 2 2 px2 vx 2 p c vc + = Zđ + + + Σhđ + hqtđ (4-27) γ 2g γ 2g px2, vx2: áp suất và vận tốc chất lỏng buồng làm việc tại thời điểm xét trong quá trình đẩy Zđ: chiều cao đẩy địa hình 60
Σhđ: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống đẩy. hqtđ: cột áp quán tính trên ống đẩy, xác định tương tự theo các biểu thức viết cho quá trình hút, được: ( Lđ + S − x) dv x 2 hqtđ = . (4-28) g dt Lđ: chiều dài tường đương của ống đẩy, xác định tương tự như Lh. S: hành trình của pittông Cuối cùng ta có áp suất trong buồng làm việc của bơm pittông trong quá trình đẩy: p x 2 pc  v2  f2 ( L + S − x) dv x 2  = +  Z đ + c 1 − 2  + Σhđ + đ .  (429) γ γ  2g  F    g dt   Nhận xét: Áp suất px2 trong buồng công tác lớn nhất khi pittông bắt đầu đẩy (x = S) và bé nhất ở cuối quá trình đẩy (x = 0), khi đó gia tốc của khối chất lỏng trong pittông có giá trị âm và cột áp quán tính là lớn nhất:  px 2  pc  vc  2 f2    γ   = + Z đ + 1 −  + Σhđ − hqt (max)  (***)   min γ   2g  F 2      Khi hqt(max) lớn thì trong buồng công tác của bơm có thể xuất hiện chân không và xảy ra hiện tượng xâm thực. Do đó điều kiện đảm bảo bơm pittông làm việc bình thường, không xảy ra hiện tượng xâm thực trong quá trình đẩy là:  px2  p    γ   ≥  bh + ∆h   γ    x =0   Đối với bơm pittông được truyền dẫn bằng cơ cấu thanh truyền tay quay, khi x = 0 có: Ld + S 2 hqt (max) = ω .R g Do đó: pc  v2  f2 ( L + S ) 2  pbh +  Z đ + c 1 − 2  + Σhđ − đ .ω R  ≥ + ∆h (****) γ   2g  F    g   γ 4.3. Động cơ thuỷ lực pittông (xi lanh thuỷ lực) 4.3.1. Khái niệm chung Động cơ thủy lực pittông thường gọi là xi lanh thủy lực, cấu tạo chủ yếu gồm pittông đặt trong xi lanh và các ống dẫn chất lỏng làm việc vào, ra khỏi xi lanh. Nếu đưa vào xi lanh một dòng chất lỏng có áp thì dưới tác dụng của áp suất chất lỏng, pittông sẽ chuyển động tương đối đối với xi lanh. Qua các cơ cấu biến đổi chuyển động trung gian, chuyển động tịnh tiến của pittông hoặc xi lanh có thể biến thành các dạng chuyển động khác. Xi lanh thủy lực được dùng nhiều trong cơ cấu chấp hành của truyền động thủy lực thể tích Xi lanh thủy lực được chia làm hai loại: xi lanh lực và xi lanh mômen. Trong xi lanh lực, chuyển động tương đối của pittông với xi lanh là chuyển động tịnh tiến thẳng. Còn trong xi lanh mômen thì chuyển động tương đối giữa pittông với xi lanh là chuyển động quay. 61
4.3.2. Xi lanh lực * Phân loại: + Theo số chiều tác dụng chia xi lanh lực thành các loại sau: - Xi lanh lực một chiều: chất lỏng làm việc chỉ tác dụng ở một phía của pittông, tạo nên chuyển động một chiều. - Xi lanh lực hai chiều: chất lỏng làm việc tác dụng lên cả hai phía của pittông, tạo nên chuyển động hai chiều. + Theo kết cấu xi lanh được chia thành: - Xi lanh có cần một phía: cần pittông bố trí về một phía của xi lanh - Xi lanh có cần hai phía: cần pittông bố trí về hai phía của xi lanh * Tính toán xi lanh lực Áp suất p của chất lỏng trong buồng làm việc của xi lanh tạo nên áp lực P trên cần pittông. Nếu không kể tới lực ma sát ta có: P = p.ω (4-30) ω : diện tích làm việc của pittông Thể tích làm việc của xi lanh lực: P Wx = ω.S = .S (4-31) p Vận tốc chuyển động của pittông v phụ thuộc vào lưu lượng Q và diện tích làm việc của pittông (nếu không kể rò rỉ): Q v= (4-32) ω Nếu xét tới ảnh hưởng của tổn thất ta cần phải đưa vào các công thức tính toán hiệu suất cơ khí η C khi tính lực và hiệu suất lưu lượng η Q khi tính lưu lượng hoặc vận tốc, ta có: Pthực = P. η C (4-33) η C = 0,85 – 0,97. v.ω Q= (4-34) ηQ vthuc ηQ = v vthực là vận tốc làm việc của xi lanh đo được trên thực tế, v là vận tốc tính toán khi chưa kể tổn thất do rò rỉ. Ghi chú: - Trong kỹ thuật chế tạo máy kích thước pittông và cần pittông thường được chọn theo quy chuẩn tùy thuộc vào áp suất làm việc p: p ( at) ≤ 15 15 < p < 50 50 < p < 100 d ≈ 0,3 ÷ 0,35 0,5 0,7 D - Muốn có hành trình làm việc của pittông (hoặc xi lanh) lớn, dùng xi lanh lồng 62
- Muốn có nhiều vận tốc và lực đẩy khác nhau, dùng xi lanh lực có pittông bậc. 4.3.3. Xi lanh mômen Để thực hiện các chuyển động quay với góc quay nhỏ hơn 3600 của các khâu truyền động, thường dùng xi lanh mômen. Xi lanh mômen có kết cấu đơn giản (hình 4-5 ) gồm có trục 1 gắn liền với cánh gạt 2, vỏ xi lanh hình trụ 3. Khi nạp chất lỏng vào khoang A, dưới tác dụng của áp suất chất lỏng lên cánh gạt, trục quay tương đối đối với vỏ xi lanh. Theo kết cấu, xi lanh mômen chia thành: Hình 4-5 - Xi lanh mômen một cánh gạt - Xi lanh mômen hai hoặc nhiều cánh gạt Xi lanh mômen nhiều cánh gạt khi cần có mômen làm việc lớn, tuy nhiên khi đó góc quay của xi lanh sẽ phải giảm đi. Mômen quay của xi lanh một cánh gạt có thể tìm được như sau: 2 2  D − d   D + d  p.b( D − d ) M = P.δ = p. .b. = (4-35)  2   4  8 Trong đó: P: áp lực của chất lỏng tác dụng lên cánh gạt δ : khoảng cách từ điểm đặt áp lực trên cánh gạt đến tâm trục D: đường kính ngoài cánh gạt (bằng đường kính xi lanh) d: đường kính trục b: chiều rộng cánh gạt p: áp suất làm việc trong xi lanh và vận tốc góc v Q Q Hình 4-6 ω= = = δ δ .F  D + d   D − d   . .b   4  2  8Q Rút gọn được: ω= (4-36) b( D 2 − d 2 ) Đối với xi lanh có Z cánh gạt thì mômen quay và vận tốc góc làm việc xác định theo các công thức: p.b( D 2 − d 2 ) M = Z. (4-37) 8 63
8Q ω= (4-38) Z .b( D 2 − d 2 ) 4.4. Bơm và động cơ thuỷ lực pittông rôto 4.4.1. Khái niệm chung * Đặc điểm: Máy thủy lực kiểu pittông rôto thuộc loại MTLTT được bắt đầu dùng nhiều từ những năm đầu của thế kỷ 20, có các đặc điểm là: - Tạo được áp suất cao với lưu lượng không 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. - Hiệu suất tương đối cao - Phạm vi điều chỉnh lớn - Số vòng quay làm việc tương đối lớn nên có khả năng nối trực tiếp với các máy điện thông thường * Nguyên lý làm việc Bộ phận công tác chủ yếu của máy gồm nhiều pittông hình trụ đặt trong các xi lanh, các xi lanh này được bố trí trong một khối trụ tròn có chuyển động quay gọi là rôto. Khi rôto quay thì chuyển động tịnh tiến tương đối giữa pittông và xi lanh được thực hiện. Bơm và động cơ pittông rôto có kết cấu hoàn toàn như nhau, bơm pittông rôto có thể làm việc như một động cơ nếu dẫn vào nó một dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn. Động cơ pittông rôto có thể làm việc với mômen quay không đổi hoặc thay đổi cũng như bơm pittông rôto có thể làm việc với lưu lượng thay đổi hoặc không đổi. * Phân loại: gồm hai loại: - Bơm và động cơ pittông rôto hướng kính - Bơm và động cơ pittông rôto hướng trục 4.4.2. Bơm và động cơ pittông hướng kính a) Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc. Sơ đồ kết cấu theo hình 4-7 gồm hai phần: phần quay (rôto) 1 đặt lệch tâm trong phần cố định (stato) 2. Rôto là một khối trụ tròn, trong đó các xi lanh và pittông trụ 3 không có cần phân bố đều theo hướng kính. Do sự bố trí lệch tâm giữa rôto và stato một khoảng e nên khi rôto quay các pittông quay theo rôto và đồng thời chuyển động tịnh tiến trong các xi lanh. 64
Hình 4-7 Nếu là máy bơm thì quá trình hút được thực hiện khi các pittông chuyển động hướng ra khỏi tâm rôto, chất lỏng được hút qua rôto vào các xi lanh nhờ có lỗ dẫn a và bọng hút A. Khi pittông bị thành stato ép, chuyển động hướng về tâm thì chất lỏng bị nén vào bọng đẩy B và chảy ra ngoài theo lỗ dẫn b, thực hiện quá trình đẩy của bơm. Bọng hút A và bọng đẩy B là hai rãnh hình bán nguyệt được ngăn cách nhau bằng một vách bố trí ở giữa stato trong trục phân phối 4 và được thông ra ngoài bởi hai lỗ dẫn a, b. Nếu dẫn vào bọng A hoặc B một dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn, dưới tác dụng của áp suất, các pittông chuyển động và tỳ một đầu vào thành stato đẩy rôto quay, sau khi truyền áp năng cho các pittông, chất lỏng sẽ bị đẩy ra ở bọng kia. Như vậy máy là động cơ. Máy pittông rôto hướng kính thường được dùng khi cần có mômen quay lớn và vận tốc (số vòng quay) tương đối nhỏ. b) Tính lưu lượng Lưu lượng của máy thủy lực pittông rôto phụ thuộc vào kích thước xi lanh, số xi lanh và số vòng quay của rôto. Trong một vòng quay của rôto, lượng chất lỏng mà một pittông có π .d 2 đường kính d đẩy được là .2e 4 Nếu máy có Z pittông thì lưu lượng lý thuyết của máy trong một chu kỳ làm việc (lưu lượng riêng) là: π .d 2 ql = .2e.Z (4-39) 4 Do đó lưu lượng lý thuyết trung bình của máy với số vòng quay n trong một đơn vị thời gian là: π .d 2 Ql = ql .n = n. .e.Z (4-40) 2 4.4.3. Bơm và động cơ pittông hướng trục a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc. 65
Nguyên lý làm việc của hai máy này tương tự như như máy pittông rôto hướng kính nhưng khác về kết cấu. Trong máy pittông rôto hướng trục, các lỗ xi lanh phân bố đều trên rôto 1 nhưng không theo hướng kính mà song song với nhau theo hướng trục của rôto. Pittông 2 trong các xi lanh luôn luôn được đẩy tỳ một đầu vào đĩa cố định đặt nghiêng 3 bằng các lò xo đặt trong xi lanh. Khi rôto quay, các pittông quay theo. Vì một đầu các pittông luôn phải tỳ vào mặt đĩa nghiêng nên các pittông cũng đồng thời chuyển động tịnh tiến tương đối với xi lanh. Các lỗ xi lanh ở mặt cuối rôto được lắp sát với một nắp cố định 4. Bên trong nắp này có hai rãnh hình vòng cung 5 được ngăn cách với nhau bởi hai gờ 6. Hai rãnh này thông với hai lỗ dẫn chất lỏng ra, vào a, b. Nếu là máy bơm, khi rôto quay theo chiều mũi tên thì rãnh 5 bên trái là bọng hút A, còn rãnh bên phải là bọng đẩy B. Hình 4-8 Nếu dẫn vào máy một dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn, rôto sẽ quay và lúc đó máy là động cơ thủy lực. Máy pittông rôto hướng trục thường được dùng trong các trường hợp cần có số vòng quay cao và mômen thay đổi nhỏ. * Phân loại: Máy pittông rôto hướng trục có thể chia làm hai loại: - Loại có đĩa nghiêng - Loại có rôto bố trí nghiêng Hình 4-9 b) Tính lưu lượng 66
Thể tích chất lỏng mà một pittông chuyển được trong một vòng quay của rôto là π .d 2 .S . Nếu máy có Z pittông thì lưu lượng của máy trong một vòng quay là: 4 π .d 2 q= .S .Z (4-41) 4 Vậy lưu lượng lý thuyết (chưa kể tổn thất) trung bình của máy với n là số vòng quay trong một đơn vị thời gian là: π .d 2 Q = q.n = n. .S .Z (4-42) 4 4.5. Máy thuỷ lực rôto 4.5.1. Khái niệm chung về máy thuỷ lực rôtô Các máy thủy lực rôto ra đời sớm hơn loại pittông rôto và được dùng rộng rãi trong các ngành chế tạo máy và động lực. Áp suất làm việc trong các MTL rôto thường cao hơn MTL cánh dẫn nhưng thấp hơn so với các MTL pittông, thông thường khoảng 20 – 150 at. Ưu điểm chung của các MTL rôto là kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, nhẹ, độ bền cao, chắc chắn, làm việc tin cậy, có thể làm việc với số vòng quay lớn, công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn, có chỉ tiêu kinh tế cao. * Phân loại: - Bơm và động cơ bánh răng (hình 4-10a) - Bơm và động cơ trục vít (hình 4-10b) - Bơm và động cơ cánh gạt (hình 4-10c) - Bơm chân không vòng nước (hình 4-10d) 67
Hình 4-10 4.5.2. Bơm và động cơ thuỷ lực bánh răng a) Bơm bánh răng * Giới thiệu chung Bơm rôto bánh răng thường có các kiểu hai bánh răng (hình 4-10a) và ba bánh răng (hình 4-11). So với bơm hai bánh răng, bơm ba bánh răng có lưu lượng làm việc lớn hơn, nhưng hiệu suất η lại thấp hơn. Nói chung về lý thuyết người ta có thể chế tạo các loại bơm nhiều bánh răng hơn, song trong thực tế ta ít thấy vì hiệu suất của chúng rất thấp. Hình 4-11 Nguyên lý làm việc của bơm: Trục chủ động của bơm cùng với bánh răng gắn chặt trên nó quay nhờ sự hoạt động của động cơ. Bánh răng chủ động quay kéo theo chuyển động quay của bánh bị động. Trong chuyển động quay của hai bánh răng, chất lỏng nằm trong các rãnh giữa các răng ngoài vùng ăn khớp được chuyển động vòng theo vỏ bơm từ buồng hút sang buồng đẩy. Tại đây các răng của hai bánh răng khép lại ép chất lỏng thoát qua lỗ phun. Vì buồng hút tạo nên chân không nên chất lỏng lại được chuyển vào bơm qua lỗ hút. Như vậy khi bơm làm việc quá trình hút và đầy chất lỏng của bơm xảy ra đồng thời và liên tục, nhờ đó bơm vận chuyển được chất lỏng. Trong khi bơm làm việc, ở các rãnh răng thường có áp lực lớn và gây nên tác động tới trục và trụ của bơm. Để giảm tác động này trong bơm cao áp, từ các rãnh răng người ta làm thêm các rãnh hướng tâm để thoát bớt chất lỏng. 68
Bơm bánh răng được phân làm ba loại sau: áp lực thấp (dưới 10 átmôtphe hay là dưới 980 KN/m2) ; áp lực trung bình (dưới 30 átmôtphe hay là dưới 2943 KN/ m 2 ); bơm cao áp P > 30 at. Bơm áp lực thấp thường được sử dụng trong các hệ thống bôi trơn và làm lạnh của các máy và thiết bị nói chung. Bơm áp lực trung bình được dùng trong các hệ thống thuỷ lực của các máy công cụ có bộ phận chấp hành chuyển động nhanh. Ví dụ: như trong máy khoan , máy đánh bóng... Bơm cao áp được dùng phổ biến trong truyền động thuỷ lực khi cần truyền áp lực lớn. * Lưu lượng của bơm bánh răng Lưu lượng của bơm hai bánh răng có thể tính theo công thức: Q = 2. ω . b. Z. n. η V (l/ph) (4-43) ω .b.Z .n.ηv Hoặc: Q= (l/s) (4-44) 30 Trong đó: ω - Thiết diện của rãnh răng, (dm2); b - Bề dài của bánh răng, (dm); Z - Số răng trong một bánh răng; n - Số vòng quay của bánh khía trong một phút; ηV - Hiệu suất thể tích của bơm, ηv = (0,8 ÷ 0,9) . Vì thiết diện của rãnh răng khó xác định, nên lưu lượng của bơm thường được tính theo công thức: Q = 2.π .Dd .m.b.n.ηv .K1 (l/ph) (4-45) Dd Với m= ta có: Z π .Dd .b.n.K1.ηv Q= (l/s) (4-46) 30.Z Dd - Đường kính vòng lăn của bánh răng, (dm) K1 - Hệ số hiệu chỉnh, K1 = 1,1. Công suất của bơm tính theo công thức: Q. p N= (KW), (4-47) 612.η Q. p N= (Mã lực) (4-48) 450.η 69
Trong đó: Q - Năng suất của bơm (dm3/ph), p - Áp suất do bơm tạo ra (KG/m2), η - Hiệu suất của bơm. b) Động cơ bánh răng Động cơ bánh răng có kết cấu như bơm bánh răng nhưng dòi hỏi phải chế tạo chính xác và phức tạp hơn. Trong nhiều trường hợp bơm và động cơ là một và thường được gọi là bơm – động cơ bánh răng hoặc động cơ – bơm bánh răng. Do áp suất để khởi động động cơ bánh răng thường lớn nên trong thiết kế, chế tạo và sử dụng cần chú ý: - Khe hở trong các ổ trục cần phải giảm đến mức tối thiểu để đảm bảo sự ăn khớp chính xác của các bánh răng. - Cần đảm bảo khe hở hướng kính hợp lý giữa vòng đỉnh răng với thành vỏ động cơ, nhất là ở phía lối vào để bánh răng không cọ xát với thành vỏ. - Có thể bố trí các rãnh trong thành vỏ nối các vùng có áp suất khác nhau để cân bằng áp lực trên trục, khắc phục áp lực hướng tâm do áp suất chất lỏng gây ra trong động cơ nhằm giảm ma sát trong ổ trục. * Mômen lý thuyết trung bình Mlđ: p.b M lđ = ( Z + 1) (N.cm) (4-49) 10 * Công suất lý thuyết trung bình Nlđ: 2 π .R0 .b.n N lđ = ( Z + 1) (KW) (4-50) 306 Trong đó: R0, b: bán kính vòng tròn cơ sở và chiều rộng của bánh răng, tính bằng cm p tính bằng N/cm2 Thực tế thì mômen và công suất của động cơ thu được nhỏ hơn các giá trị lý thuyết do tổn thất ma sát: Mđ = Mlđ. η C (4-51) Nđ = Nlđ. η C (4-52) η C: hiệu suất cơ khí của động cơ * Số vòng quay: Số vòng quay lý thuyết trong một phút của động cơ bánh răng là: Q nlđ = (v/ph) (4-53) q Q: lưu lượng chất lỏng cung cấp cho động cơ tính bằng cm3/ph q: lưu lượng riêng của động cơ, tính bằng cm3 Số vòng quay thực tế phụ thuộc vào tổn thất lưu lượng của động cơ 70
Q nđ = ηQ .nlđ = ηQ . (v/ph) (4-54) q 4.5.3. Bơm và động cơ thuỷ lực trục vít Trong các thập kỷ gần đây, bơm và động cơ trục vít được sử dụng nhiều trong công nghiệp, nhất là trong các hệ thống truyền động thủy lực do có những ưu điểm sau: - Lưu lượng điều hòa - Hiệu suất tương đối cao - Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, không ồn - Có thể làm việc với số vồng quay tương đối lớn và áp suất cao - Mômen quán tính nhỏ so với tất cả các loại MTL thể tích có cùng công suất do đó máy làm việc có độ nhạy cao Bộ phận làm việc chủ yếu của MTL trục vít gồm có hai hoặc ba trục vít ăn khớp với nhau đặt trong một vỏ máy cố định có lõi dẫn chất lỏng vào và ra. Ren của trục vít thường có ba loại: ren hình chữ nhật, hình thang và xiclôit. a) Bơm trục vít Xét cấu tạo của một bơm hai trục vít ren chữ nhật (hình 4-12) ta thấy trục vít chủ động 1 có nhiều ren phải ăn khớp với trục ren bị động 2 có chiều ren trái và cả hai đều được định vị bằng các ổ trục đặt trong vỏ bơm 4. Để khắc phục sự tự hãm của các mặt ren (nhằm hỗ trợ chuyển động ), người ta lắp ở phía cuối hai trục vít hai bánh răng 3 ăn khớp với nhau. Khe hở giữa các trục vít và vỏ bơm là rất nhỏ. Vỏ (thân) bơm có bọng hút A và bọng đẩy B. Hình 4-12 Bơm làm việc theo nguyên lý sau: Chất lỏng được điền đầy ở bọng hút A và rãnh ren ở vị trí C. Khi trục vít quay một vòng thì thân ren (t) của trục vít kia ăn khớp với rãnh ren C và chất lỏng trong đó bị đẩy từ vị trí C đến C' và từ C' đến C'' ở vòng quay tiếp theo. Nếu trục vít quay liên tục thì chất lỏng được chuyển từ bọng hút A đến bọng đẩy B cũng liên tục đều đặn. Nhược điểm cơ bản của bơm hai trục vít ren chữ nhật (hoặc ren hình thang) là các tổn thất lưu lượng, thuỷ lực và cơ khí tương đối lớn, do đó hiệu suất của bơm tương đối thấp. 71