Chương MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH 4.1 Khái niệm máy thuỷ lực thể tích (MTLTT) 4.1.1 Nguyên lý làm việc MTLTT MTLTT bao gồm loại bơm động thủy lực thể tích Về nguyên tắc MTLTT làm việc thuận nghịch, tức làm hai nhiệm vụ bơm động Trên hình 4.1a sơ đồ làm việc của bơm thể tích kiểu pittơng có chuyển động tịnh tiến Khi pittông di chuyển sang trái, thể tích buồng làm việc a tăng lên, áp suất giảm nên chất lỏng từ ống hút qua van chiều vào xi lanh Khi pittông sang phải, áp lực P pittông, chất lỏng xi lanh bị nén với áp suất p qua van chiều vào ống đẩy Phần thể tích buồng làm việc thay đổi để hút đẩy chất lỏng gọi buồng làm việc Nếu buồng làm việc hồn tồn kín bơm có đủ cơng suất áp suất làm việc bơm p phụ thuộc vào áp suất chất lỏng ống đẩy Trên hình 4.1b sơ đồ làm việc động thể tích có chuyển động quay, chất lỏng có áp suất cao vào động tạo nên áp lực đẩy cánh gạt roto làm cho trục động quay Hình 4.1 MTLTT gồm nhiều loại bơm động thủy lực phần lớn bơm Theo cơng dụng, MTLTT chia thành hai loại: - Bơm nước loại chất lỏng khác - Bơm động dầu dùng hệ thống truyền động Theo kết cấu dạng chuyển động chia MTLTT thành ba loại chủ yếu sau: - Loại pittơng (có chuyển động tịnh tiến) - Loại pittơng rơto (vừa có chuyển động tịnh tiến, vừa có chuyển động quay – pittơng quay tịnh tiến) - Loại rơto (có chuyển động quay) 4.1.2 Các thơng số MTLTT Theo nguyên lý áp suất chất lỏng MTLTT phụ thuộc vào phụ tải Nếu bảo đảm buồng làm việc hoàn toàn kín lưu lượng máy thủy lực thể tích khơng phụ thuộc vào áp suất, cịn áp suất tăng lên tùy thuộc vào áp suất phụ tải 52 công suất bơm Khi lưu lượng MTLTT phụ thuộc vào vận tốc chuyển động pittông Nhưng thực tế, buồng làm việc MTLTT bảo đảm tuyệt đối kín với trị số áp suất Khi tăng tải trọng làm việc đến mức xuất rò rỉ chất lỏng, tiếp tục tăng đến trị số áp suất giới hạn đóthì lưu lượng máy hồn tồn mát rị rỉ Ngồi áp suất làm việc bị giới hạn sức bền máy Do để đảm bảo làm việc bình thường MTLTT, phải hạn chế áp suất làm việc tối đa cách dùng van an toàn Khi tải trọng tăng đến mức độ nguy hiểm van an tồn tự động thải bớt chất lỏng để giảm áp suất làm việc máy a) Lưu lượng: Lưu lượng lý thuyết Ql (lưu lượng chưa kể tới rò rỉ) : Ql = ql.n (4-1) q1: lưu lượng riêng máy (trong chu kỳ làm việc) thể tích làm việc máy chu kỳ n: số chu kỳ làm việc máy đơn vị thời gian (thường số vòng quay trục máy) Lưu lượng lý thuyết Ql lớn lưu lượng thực tế Q máy thực tế bao giừo có rị rỉ Q1 lưu lượng tính q trình đơn vị thời gian nên gọi lưu lượng trung bình lý thuyết Khác với máy thủy lực cánh dẫn, lưu lượng tức thời MTLTT thay đổi theo thời gian, kể máy làm việc ổn định b) Áp suất: cột áp MTLTT tạo nên chủ yếu thay đổi áp suất tĩnh chất lỏng chuyển động qua máy, thường dùng áp suất để biểu thị khả tải máy Cột áp H áp suất p liên hệ với công thức thủy tĩnh: H= p γ (4-2) Đối với MTLTT có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên áp lực P: P = p.Ω (4-3) Ω: diện tích làm việc mặt pittơng 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 số máy định phụ thuộc vào kết cấu kích thước máy, gọi hệ số mômen Hệ số mômen kM suy từ cơng thức tính cơng 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) nên: M = Ql p ω (4-8) So sánh (4-8) (4-4) ta có: 53 kM = Ql q = l ω 2π (4-9) Hệ số mômen thực tế nhỏ hệ số mômen lý thuyết phụ thuộc vào hiệu suất tồn phần η máy Mơmen quay M tính theo cơng thức (4-8) trường hợp lý thuyết dùng chung cho bơm động Nếu có kể tổn thất cơng thức tính mơmen quay M cho động bơm phải tính riêng biết - Đối với bơm: MB = Q k p = M p η B ω ηB (4-10) - Đối với động cơ: M Đ = ηĐ Q p = η Đ k M p ω (4-11) c) Hiệu suất cơng suất Hiệu suất tồn phần máy thủy lực xác định theo công thức chung: η = ηQ.ηC.ηH Đối với MTL tổn thất thủy lực tương đối nhỏ (vì động phần tử chất lỏng nhỏ) nên thường cho ηH ≈ 1, đó: η = ηQ.ηC (4-12) Công suất làm việc bơm thường xác định thông số thủy lực: NB = γ Q.H p.Q = η η (4-13) Công suất làm việc động thường xác định thơng số khí: - Đối với động có chuyển động tịnh tiến: NĐ = P.v (4-14) P: áp lực pittông v: vận tốc pittông - Đối với động có chuyển động quay: NĐ = M.ω (4-15) M: mômen quay trục ω: vận tốc góc 4.2 Bơm Pittơng 4.2.1 Phân loại, cấu tạo nguyên lý hoạt động bơm pittông Bơm pittông phân loại theo tính chất tác động, cấu tạo nén, vị trí xi lanh phương pháp nối tiếp nén với động Theo tính chất tác động người ta phân bơm pittông thành loại: bơm tác động đơn, bơm tác động kép, bơm tác động ba lần, vv… Sau ta nghiên cứu sơ đồ cấu tạo nguyên tắc làm việc vài loại 54 a) Bơm pittông tác động đơn (hình 4-2 ) M V Kr Kv S S= 2r Hình 4-2 Bơm pittơng tác động đơn gồm phận sau đây: xi lanh 1, nén 2, pit tông 3, ngăn cơng tác 4, ống hút 5, ống đẩy 6, khố vào KV (khoá hút) khoá Kr (khoá phun) Để kiểm tra hoạt động bơm người ta lắp áp kế ống đẩy chân khơng kế ống hút Ngồi máy bơm thường có hộp khơng khí lắp ống hút ống đẩy để đảm bảo việc cấp chất lỏng (hình 4-3) Nguyên lý làm việc: Khi nén chuyển động từ trái sang phải xi lanh tạo thành chân khơng, nhờ chất lỏng dâng lên ống hút để chiếm lấy khoảng trống nén tạo nên Ngược lại, nén chuyển động từ phải sang Hộp khơng khí nén trái áp lực xi lanh tăng lên, khố hút đóng kín, khố phun mở ra, chất lỏng từ ngăn cơng tác đẩy vào ống đẩy Như qua vòng quay trục động (một chu kỳ di chuyển nén), bơm thực Kr Kv lần hút lần đẩy chất lỏng Nhược điểm loại bơm cấp chất lỏng K khơng có nhiều chi tiết dễ bị bào mịn như: van, V h1 khố, xi lanh Tác động hộp khơng khí lắp bơm: Trước cho máy bơm hoạt động, người ta đổ chất lỏng H1 Pa vào bơm làm đầy ống hút phần hộp khơng khí Sau đống khố ngăn cách hộp khơng khí với khí trời 55 Hình 4-3 Khi bơm làm việc, trình hút chất lỏng thực hộp khơng khí lắp trước bơm tạo nên chân khơng; đồng thời chất lỏng hút qua van chiều theo ống hút đến hộp khơng khí Do tiết diện hộp khơng khí tương đối lớn so với tiết diện ống hút nên độ dao động mực chất lỏng hộp khơng khí xem khơng đáng kể chuyển động chất lỏng ống ổn định Kết làm sức cản thuỷ lực giảm xuống, độ cao hút tăng lên Hộp khơng khí lắp trước ống đẩy (sau bơm) gọi hộp khơng khí nén, có tác dụng điều tiết dịng chất lỏng chảy vào ống liên tục Khi bơm xảy trình ép chất lỏng, áp suất ngăn cơng tác tăng đến độ khóa vào đóng, khố phun mở phần chất lỏng ép trực tiếp vào ống đẩy, phần khác vào hộp khơng khí Kết thúc q trình này, khố phun đóng, áp lực khơng khí nén phần chất lỏng cịn lại hộp khơng khí ép vào ống phun Như nhờ lắp thêm hộp khơng khí nén mà dịng chất lỏng ống đẩy bơm thường xuyên liên tục đặn b) Bơm pittông tác động kép Bơm pit tơng tác động kép (hình 4-4), hay cịn gọi bơm pittơng tác động hai chiều Kr Kr B A Kv Kv Hình 4-4 Bơm bao gồm: hai ngăn cơng tác A B, hai khố hút hai khoá phun Trong hoạt động bơm, qua vịng quay trục động có hai lần hút hai lần đẩy chất lỏng, bơm làm việc đêu đặn hơn, suất cao so với bơm tác động đơn 4.2.2 Năng suất bơm pittơng Ta phân tích hoạt động bơm pittơng tìm cơng thức tính suất Khi kết thúc trình hút lượng chất lỏng chứa ngăn công tác bơm pittông tác động đơn là: W=ω.s Trong đó: (m3) (4-16) ω- Diện tích tiết diện nén (m2) 56 s – Bước di chuyển nén (m) Lượng chất lỏng chuyển vào ống đẩy bơm sau kết thúc trình ép chất lỏng Như qua chu kỳ di chuyển nén bơm vận chuyển thể tích chất lỏng W (xác định từ biểu thức 4-16) Nếu phút trục động quay n vòng n lần nén di chuyển trở lại vị trí ban đầu nó, thể tích chất lỏng chảy vào ống phun là: Qlt = ω s n Qlt = Hoặc (m3/ph) ω.s.n 60 (m3/s) (4-17) Qlt - suất lý thuyết Tuy nhiên, suất thực tế có giá trị bé hơn, q trình làm việc bơm có phần chất lỏng chảy qua kẽ hở, mặt khác khố đóng mở chậm nên khơng khí xâm nhập vào ngăn cơng tác Vì suất thực tế bơm tính theo cơng thức sau: QT = Qlt ηv = ω.s.n ηv 60 (m3/s) (4-18) ηv - hệ số đầy (hay hệ số thể tích), thường chọn ηv = (0,85 ÷ 0,99) Đối với bơm pittơng tác động kép, qua vịng quay trục động (tức bước kép di chuyển nén) có thể tích chất lỏng từ ngăn A chảy vào ống phun là: W1 = ω s Và từ ngăn B là: W2 = (ω - ωp) s Trong đó: ωp - diện tích tiết diện pittông Như động quay n (v/ph) suất bơm tác động kép là: QT = Hoặc: QT = (W1 + W2 ).n ηv 60 (2ω − ω p ).s.n 60 ηV (m3/s) (4-19) Nhận xét: Qua phần phân tích tính tốn ta thấy suất bơm pittơng điều chỉnh biện pháp sau: - Thay đổi số vòng quay trục động cơ, thay đổi số chu kỳ làm việc bơm đơn vị thời gian - Điều chỉnh khoá (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng đẩy buồng hút bơm - Thay đổi diện tích làm việc pit tông cấu đặc biệt - Thay đổi chiều dài bước di chuyển nén (s) cách thay đổi chiều dài làm việc tay biên truyền 57 4.2.3 Cột áp qn tính, áp suất bơm pittơng a) Cột áp quán tính Vận tốc chuyển động chất lỏng bơm phụ thuộc vào vận tốc pittông v = f(t), có gia tốc dv ≠ (có thể dương âm) Khối chất lỏng có khối lượng m chuyển động dt bơm chịu tác dụng lực quán tính là: I qt = − m dv dt (4-20) Do vận tốc v pittông thay đổi có chu kỳ nên gia tốc dv thay đổi cách có dt chu kỳ phương trị số tuyệt đối, lực qn tính sinh bơm pittơng tải trọng động có chu kỳ Tải trọng động đơi lớn, bơm lớn có hệ số không lưu lượng, ảnh hưởng không tốt đến bơm, đường ống phận khác Như dịng chảy bơm dịng khơng ổn định Xét dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động bơm từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt (2-2) Vì dịng khơng ổn định nên biến thiên lượng đơn vị tồn phần dịng chảy ngồi để khắc phục lực cản cịn để khắc phục lực quán tính xuất đoạn 1-2 Nếu m = là: khối lượng đơn vị trọng lượng lực qn tính tác dụng lên g ∂v phương trình chuyển động dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động g ∂t bơm pittông: ∂  p v  ∂σ ∂v Z + + + + =0 ∂s  γ g  ∂s g ∂t   (4-21) Trong đó: ∂σ biến thiên lượng sức cản dọc theo dòng chảy; ∂s v: vận tốc trung bình dịng chảy; Tích phân (4-21) ta phương trình Becnuli cho tồn dịng khơng ổn định bơm pittông: p v2 ∂v Z+ + + ∑ h + ∫ ds = const γ 2g g ∂t So với phương trình cho dịng ổn định ta thấy (4-22) có thêm thành phần (4-22) ∂v ds lực g ∫ ∂t quán tính xuất dòng chảy nên gọi cột áp quán tính, ký hiệu hqt: hqt = ∂v ds g ∫ ∂t (4-23) 58 b) Áp suất bơm pittông * Áp suất bơm pittơng q trình hút: có ảnh hưởng lớn đến khả hút điều kiện làm việc bơm Xét bơm pittông tác dụng đơn làm việc hệ thống Viết phương trình Becnuli cho mặt cắt (a-a) (b-b), lấy mặt chuẩn (a-a): pa p x1 v x1 = Zh + + + Σhh + hqth γ γ 2g (4-24) px1: áp suất buồng làm việc trình hút Zh: chiều cao hút địa hình vx1: vận tốc chất lỏng buồng làm việc (bằng vận tốc pittông) Σhh: tổng tổn thất cột áp toàn đuờng ống hút hqth: cột áp quán tính ống hút Theo (4-23) ta có: hqth = g Lh+ x ∫ ∂v x1 dl ∂t Vì vận tốc vx1 phụ thuộc vào thời gian nên ∂v x1 dv x1 = d ∂t dt ( L + x) dv xl hqth = h g dt (4-25) x: khoảng cách từ mặt làm việc pittơng đến vị trí giới hạn chuyển động pittông Trong trường hợp tổng quát (ống hút có nhiều đoạn nối với đường kính khác nhau) n F li fi i =1 Lh = ∑ F: diện tích mặt pittơng fi: diện tích mặt cắt đường ống thứ i Lh gọi chiều dài tương đương ống hút Thay vào (4-24) biến đổi, ta áp suất buồng làm việc bơm trình hút trường hợp tổng quát là: p x1 pa  v x1 ( L + x) dv xl  = − Z h + + + Σhh + h  γ γ  2g g dt  59 (4-26) Nhận xét: áp suất trình hút bơm p x1 có trị số nhỏ pittông bắt đầu chuyển động (x=0) lớn cuối hành trình (x = S), điều kiện để bơm làm việc bình thường, khơng có tượng xâm thực trình hút là:  p x1  p  ≥  bh + ∆h    γ    γ    x =0   Tức:  p pa  v x1 − Z h + + Σhh + hqt (max)  ≥ bh + ∆h γ  2g  γ (*) Đối với bơm pittông truyền dẫn cấu truyền tay quay, x = có: hqt (max) = Lh ω R g Do đó:  p pa  v2 (L ) −  Z h + x1 + Σhh + h ω R  ≥ bh + ∆h γ  2g g  γ (**) * Áp suất bơm pittông trình đẩy Tương tự trình hút, ta viết phương trình Becnuli cho dịng chảy khơng ổn định hai mặt cắt (b-b) (c-c), lấy mặt cắt (b-b) làm chuẩn: px2 vx p v2 + = Z đ + c + c + Σhđ + hqtđ γ 2g γ 2g (4-27) px2, vx2: áp suất vận tốc chất lỏng buồng làm việc thời điểm xét trình đẩy Zđ: chiều cao đẩy địa hình Σhđ: tổng tổn thất cột áp tồn đuờng ống đẩy hqtđ: cột áp quán tính ống đẩy, xác định tương tự theo biểu thức viết cho trình hút, được: 60 hqtđ = ( Lđ + S − x) dv x g dt (4-28) Lđ: chiều dài tường đương ống đẩy, xác định tương tự Lh S: hành trình pittơng Cuối ta có áp suất buồng làm việc bơm pittơng q trình đẩy: p x pc  vc  f2 ( L + S − x) dv x  1 −  + Σhđ + đ = + Z đ +  γ γ  2g  F  g dt      (4-29) Nhận xét: Áp suất px2 buồng công tác lớn pittông bắt đầu đẩy (x = S) bé cuối q trình đẩy (x = 0), gia tốc khối chất lỏng pittơng có giá trị âm cột áp quán tính lớn nhất:   px  pc  vc  f2 1 −  + Σhđ − hqt (max)  + Z đ +   =  γ  2g  F    γ       (***) Khi hqt(max) lớn buồng cơng tác bơm xuất chân khơng xảy tượng xâm thực Do điều kiện đảm bảo bơm pittơng làm việc bình thường, khơng xảy tượng xâm thực q trình đẩy là:  px2  p  ≥  bh + ∆h    γ    γ    x =0   Đối với bơm pittông truyền dẫn cấu truyền tay quay, x = có: hqt (max) = Ld + S ω R g Do đó: pc  v2  f2 ( L + S )  pbh +  Z đ + c 1 −  + Σhđ − đ ω R  ≥ + ∆h γ  2g  F  g γ      (****) 4.3 Động thuỷ lực pittông (xi lanh thuỷ lực) 4.3.1 Khái niệm chung Động thủy lực pittông thường gọi xi lanh thủy lực, cấu tạo chủ yếu gồm pittông đặt xi lanh ống dẫn chất lỏng làm việc vào, khỏi xi lanh Nếu đưa vào xi lanh dịng chất lỏng có áp tác dụng áp suất chất lỏng, pittông chuyển động tương đối xi lanh Qua cấu biến đổi chuyển động trung gian, chuyển động tịnh tiến pittông xi lanh biến thành dạng chuyển động khác Xi lanh thủy lực dùng nhiều cấu chấp hành truyền động thủy lực thể tích Xi lanh thủy lực chia làm hai loại: xi lanh lực xi lanh mômen Trong xi lanh lực, chuyển động tương đối pittông với xi lanh chuyển động tịnh tiến thẳng Còn xi lanh mơmen chuyển động tương đối pittơng với xi lanh chuyển động quay 4.3.2 Xi lanh lực * Phân loại: + Theo số chiều tác dụng chia xi lanh lực thành loại sau: 61 - Xi lanh lực chiều: chất lỏng làm việc tác dụng phía pittơng, tạo nên chuyển động chiều - Xi lanh lực hai chiều: chất lỏng làm việc tác dụng lên hai phía pittơng, tạo nên chuyển động hai chiều + Theo kết cấu xi lanh chia thành: - Xi lanh có cần phía: cần pittơng bố trí phía xi lanh - Xi lanh có cần hai phía: cần pittơng bố trí hai phía xi lanh * Tính toán xi lanh lực Áp suất p chất lỏng buồng làm việc xi lanh tạo nên áp lực P cần pittông Nếu không kể tới lực ma sát ta có: P = p.ω (4-30) ω: diện tích làm việc pittơng Thể tích làm việc xi lanh lực: Wx = ω.S = P S p (4-31) Vận tốc chuyển động pittông v phụ thuộc vào lưu lượng Q diện tích làm việc pittơng (nếu khơng kể rị rỉ): v= Q ω (4-32) Nếu xét tới ảnh hưởng tổn thất ta cần phải đưa vào cơng thức tính tốn hiệu suất khí ηC tính lực hiệu suất lưu lượng ηQ tính lưu lượng vận tốc, ta có: Pthực = P ηC (4-33) ηC = 0,85 – 0,97 Q= ηQ = v.ω ηQ (4-34) vthuc v vthực vận tốc làm việc xi lanh đo thực tế, v vận tốc tính tốn chưa kể tổn thất rò rỉ Ghi chú: - Trong kỹ thuật chế tạo máy kích thước pittơng cần pittông thường chọn theo quy chuẩn tùy thuộc vào áp suất làm việc p: p ( at) 15 < p < 50 50 < p < 100 ≤ 15 d D ≈ 0,3 ÷ 0,35 0,5 0,7 - Muốn có hành trình làm việc pittơng (hoặc xi lanh) lớn, dùng xi lanh lồng - Muốn có nhiều vận tốc lực đẩy khác nhau, dùng xi lanh lực có pittơng bậc 62 4.3.3 Xi lanh mơmen Để thực chuyển động quay với góc quay nhỏ 360 khâu truyền động, thường dùng xi lanh mơmen Xi lanh mơmen có kết cấu đơn giản (hình 4-5 ) gồm có trục gắn liền với cánh gạt 2, vỏ xi lanh hình trụ Khi nạp chất lỏng vào khoang A, tác dụng áp suất chất lỏng lên cánh gạt, trục quay tương đối vỏ xi lanh Theo kết cấu, xi lanh mơmen chia thành: Hình 4-5 - Xi lanh mômen cánh gạt - Xi lanh mômen hai nhiều cánh gạt Xi lanh mômen nhiều cánh gạt cần có mơmen làm việc lớn, nhiên góc quay xi lanh phải giảm Mơmen quay xi lanh cánh gạt tìm sau: 2  D − d   D + d  p.b( D − d ) M = P.δ = p. .b. =     (4-35) Trong đó: P: áp lực chất lỏng tác dụng lên cánh gạt δ: khoảng cách từ điểm đặt áp lực cánh gạt đến tâm trục D: đường kính ngồi cánh gạt (bằng đường kính xi lanh) d: đường kính trục b: chiều rộng cánh gạt p: áp suất làm việc xi lanh vận tốc góc v Q Q = = δ δ F  D + d   D − d  b   .    8Q Rút gọn được: ω = b( D − d ) ω= Hình 4-6 (4-36) Đối với xi lanh có Z cánh gạt mơmen quay vận tốc góc làm việc xác định theo cơng thức: p.b( D − d ) 8Q ω= Z b( D − d ) M = Z (4-37) (4-38) 63 4.4 Bơm động thuỷ lực pittông rôto 4.4.1 Khái niệm chung * Đặc điểm: Máy thủy lực kiểu pittông rôto thuộc loại MTLTT bắt đầu dùng nhiều từ năm đầu kỷ 20, có đặc điểm là: - Tạo áp suất cao với lưu lượng không lớn - Có khả thay đổi lưu lượng cách dễ dàng giữ nguyên áp suất 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 nối trực tiếp với máy điện thông thường * Nguyên lý làm việc Bộ phận công tác chủ yếu máy gồm nhiều pittơng hình trụ đặt xi lanh, xi lanh bố trí khối trụ trịn có chuyển động quay gọi rơto Khi rơto quay chuyển động tịnh tiến tương đối pittông xi lanh thực Bơm động pittơng rơto có kết cấu hồn tồn nhau, bơm pittơng rơto làm việc động dẫn vào dịng chất lỏng có áp suất đủ lớn Động pittơng rơto làm việc với mơmen quay khơng đổi thay đổi bơm pittơng rơto làm việc với lưu lượng thay đổi không đổi * Phân loại: gồm hai loại: - Bơm động pittơng rơto hướng kính - Bơm động pittơng rôto hướng trục 4.4.2 Bơm động pittông hướng kính a) Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc Sơ đồ kết cấu theo hình 4-7 gồm hai phần: phần quay (rôto) đặt lệch tâm phần cố định (stato) Rơto khối trụ trịn, xi lanh pittơng trụ khơng có cần phân bố theo hướng kính Do bố trí lệch tâm rơto stato khoảng e nên rôto quay pittông quay theo rôto đồng thời chuyển động tịnh tiến xi lanh 64 Hình 4-7 Nếu máy bơm trình hút thực pittơng chuyển động hướng khỏi tâm rôto, chất lỏng hút qua rơto vào xi lanh nhờ có lỗ dẫn a bọng hút A Khi pittông bị thành stato ép, chuyển động hướng tâm chất lỏng bị nén vào bọng đẩy B chảy theo lỗ dẫn b, thực trình đẩy bơm Bọng hút A bọng đẩy B hai rãnh hình bán nguyệt ngăn cách vách bố trí stato trục phân phối thơng ngồi hai lỗ dẫn a, b Nếu dẫn vào bọng A B dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn, tác dụng áp suất, pittông chuyển động tỳ đầu vào thành stato đẩy rôto quay, sau truyền áp cho pittông, chất lỏng bị đẩy bọng Như máy động Máy pittơng rơto hướng kính thường dùng cần có mơmen quay lớn vận tốc (số vịng quay) tương đối nhỏ b) Tính lưu lượng Lưu lượng máy thủy lực pittơng rơto phụ thuộc vào kích thước xi lanh, số xi lanh số vịng quay rơto Trong vịng quay rơto, lượng chất lỏng mà pittơng có đường kính d đẩy π d 2e Nếu máy có Z pittơng lưu lượng lý thuyết máy chu kỳ làm việc (lưu lượng riêng) là: ql = π d 2e.Z (4-39) Do lưu lượng lý thuyết trung bình máy với số vịng quay n đơn vị thời gian là: Ql = ql n = n π d e.Z (4-40) 4.4.3 Bơm động pittông hướng trục a) Cấu tạo nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc hai máy tương tự như máy pittông rôto hướng kính khác kết cấu Trong máy pittơng rơto hướng trục, lỗ xi lanh phân bố rơto khơng theo hướng kính mà song song với theo hướng trục rôto Pittông xi lanh luôn đẩy tỳ đầu vào đĩa cố định đặt nghiêng lò xo đặt xi lanh Khi rôto quay, pittông quay theo Vì đầu pittơng ln phải tỳ vào mặt đĩa nghiêng nên pittông đồng thời chuyển động tịnh tiến tương xi lanh Các lỗ xi lanh mặt cuối rôto lắp sát với nắp cố định Bên nắp có hai rãnh hình vịng cung ngăn cách với hai gờ Hai rãnh thông với hai lỗ dẫn chất lỏng ra, vào a, b Nếu máy bơm, rôto quay theo chiều mũi tên rãnh bên trái bọng hút A, cịn rãnh bên phải bọng đẩy B 65 Hình 4-8 Nếu dẫn vào máy dịng chất lỏng có áp suất đủ lớn, rơto quay lúc máy động thủy lực Máy pittông rôto hướng trục thường dùng trường hợp cần có số vịng quay cao mơmen thay đổi nhỏ * Phân loại: Máy pittơng rơto hướng trục chia làm hai loại: - Loại có đĩa nghiêng - Loại có rơto bố trí nghiêng Hình 4-9 b) Tính lưu lượng Thể tích chất lỏng mà pittơng chuyển vịng quay rơto π d S Nếu máy có Z pittơng lưu lượng máy vòng quay là: q= π d S Z (4-41) Vậy lưu lượng lý thuyết (chưa kể tổn thất) trung bình máy với n số vòng quay đơn vị thời gian là: Q = q.n = n π d S Z (4-42) 66 4.5 Máy thuỷ lực rôto 4.5.1 Khái niệm chung máy thuỷ lực rôtô Các máy thủy lực rôto đời sớm loại pittông rôto dùng rộng rãi ngành chế tạo máy động lực Áp suất làm việc MTL rôto thường cao MTL cánh dẫn thấp so với MTL pittông, thông thường khoảng 20 – 150 at Ưu điểm chung MTL rơto kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, nhẹ, độ bền cao, chắn, làm việc tin cậy, làm việc với số vịng quay lớn, cơng suất đơn vị trọng lượng lớn, có tiêu kinh tế cao * Phân loại: - Bơm động bánh (hình 4-10a) - Bơm động trục vít (hình 4-10b) - Bơm động cánh gạt (hình 4-10c) - Bơm chân khơng vịng nước (hình 4-10d) Hình 4-10 4.5.2 Bơm động thuỷ lực bánh a) Bơm bánh * Giới thiệu chung Bơm rơto bánh thường có kiểu hai bánh (hình 4-10a) ba bánh (hình 4-11) So với bơm hai bánh răng, bơm ba bánh có lưu lượng làm việc lớn hơn, hiệu suất η lại thấp Nói chung lý thuyết người ta chế tạo loại bơm nhiều bánh hơn, song thực tế ta thấy hiệu suất chúng thấp 67 Hình 4-11 Nguyên lý làm việc bơm: Trục chủ động bơm với bánh gắn chặt quay nhờ hoạt động động Bánh chủ động quay kéo theo chuyển động quay bánh bị động Trong chuyển động quay hai bánh răng, chất lỏng nằm rãnh vùng ăn khớp chuyển động vòng theo vỏ bơm từ buồng hút sang buồng đẩy Tại hai bánh khép lại ép chất lỏng thoát qua lỗ phun Vì buồng hút tạo nên chân khơng nên chất lỏng lại chuyển vào bơm qua lỗ hút Như bơm làm việc trình hút đầy chất lỏng bơm xảy đồng thời liên tục, nhờ bơm vận chuyển chất lỏng Trong bơm làm việc, rãnh thường có áp lực lớn gây nên tác động tới trục trụ bơm Để giảm tác động bơm cao áp, từ rãnh người ta làm thêm rãnh hướng tâm để thoát bớt chất lỏng Bơm bánh phân làm ba loại sau: áp lực thấp (dưới 10 átmôtphe 980 KN/m2) ; áp lực trung bình (dưới 30 átmơtphe 2943 KN/ m ); bơm cao áp P > 30 at Bơm áp lực thấp thường sử dụng hệ thống bôi trơn làm lạnh máy thiết bị nói chung Bơm áp lực trung bình dùng hệ thống thuỷ lực máy cơng cụ có phận chấp hành chuyển động nhanh Ví dụ: máy khoan , máy đánh bóng Bơm cao áp dùng phổ biến truyền động thuỷ lực cần truyền áp lực lớn * Lưu lượng bơm bánh Lưu lượng bơm hai bánh tính theo công thức: Q = ω b Z n ηV (l/ph) Q= Hoặc: ω b.Z n.ηv (l/s) 30 (4-43) (4-44) Trong đó: ω - Thiết diện rãnh răng, (dm2); b - Bề dài bánh răng, (dm); Z - Số bánh răng; n - Số vịng quay bánh khía phút; 68 ηV - Hiệu suất thể tích bơm, ηv = (0,8 ÷ 0,9) Vì thiết diện rãnh khó xác định, nên lưu lượng bơm thường tính theo cơng thức: Q = 2.π Dd m.b.n.ηv K1 m= π Dd b.n.K1.ηv 30.Z (4-45) Dd ta có: Z Q= Với (l/ph) (l/s) (4-46) Dd - Đường kính vịng lăn bánh răng, (dm) K1 - Hệ số hiệu chỉnh, K1 = 1,1 Cơng suất bơm tính theo công thức: N= Q p 612.η (KW), (4-47) N= Q p 450.η (Mã lực) (4-48) Trong đó: Q - Năng suất bơm (dm3/ph), p - Áp suất bơm tạo (KG/m2), η - Hiệu suất bơm b) Động bánh Động bánh có kết cấu bơm bánh dòi hỏi phải chế tạo xác phức tạp Trong nhiều trường hợp bơm động thường gọi bơm – động bánh động – bơm bánh Do áp suất để khởi động động bánh thường lớn nên thiết kế, chế tạo sử dụng cần ý: - Khe hở ổ trục cần phải giảm đến mức tối thiểu để đảm bảo ăn khớp xác bánh - Cần đảm bảo khe hở hướng kính hợp lý vịng đỉnh với thành vỏ động cơ, phía lối vào để bánh không cọ xát với thành vỏ - Có thể bố trí rãnh thành vỏ nối vùng có áp suất khác để cân áp lực trục, khắc phục áp lực hướng tâm áp suất chất lỏng gây động nhằm giảm ma sát ổ trục * Mômen lý thuyết trung bình Mlđ: p.b M lđ = ( Z + 1) (N.cm) (4-49) 10 69 * Công suất lý thuyết trung bình Nlđ: N lđ = π R0 b.n ( Z + 1) 306 (KW) (4-50) Trong đó: R0, b: bán kính vịng trịn sở chiều rộng bánh răng, tính cm p tính N/cm2 Thực tế mơmen cơng suất động thu nhỏ giá trị lý thuyết tổn thất ma sát: Mđ = Mlđ ηC (4-51) Nđ = Nlđ ηC (4-52) ηC: hiệu suất khí động * Số vòng quay: Số vòng quay lý thuyết phút động bánh là: = Q q (v/ph) (4-53) Q: lưu lượng chất lỏng cung cấp cho động tính cm3/ph q: lưu lượng riêng động cơ, tính cm3 Số vòng quay thực tế phụ thuộc vào tổn thất lưu lượng động nđ = ηQ = ηQ Q q (v/ph) (4-54) 4.5.3 Bơm động thuỷ lực trục vít Trong thập kỷ gần đây, bơm động trục vít sử dụng nhiều công nghiệp, hệ thống truyền động thủy lực có ưu điểm sau: - Lưu lượng điều hòa - Hiệu suất tương đối cao - Kết cấu nhỏ gọn, chắn, không ồn - Có thể làm việc với số vồng quay tương đối lớn áp suất cao - Mơmen qn tính nhỏ so với tất loại MTL thể tích có cơng suất máy làm việc có độ nhạy cao Bộ phận làm việc chủ yếu MTL trục vít gồm có hai ba trục vít ăn khớp với đặt vỏ máy cố định có lõi dẫn chất lỏng vào Ren trục vít thường có ba loại: ren hình chữ nhật, hình thang xiclơit a) Bơm trục vít Xét cấu tạo bơm hai trục vít ren chữ nhật (hình 4-12) ta thấy trục vít chủ động 70 có nhiều ren phải ăn khớp với trục ren bị động có chiều ren trái hai định vị ổ trục đặt vỏ bơm Để khắc phục tự hãm mặt ren (nhằm hỗ trợ chuyển động ), người ta lắp phía cuối hai trục vít hai bánh ăn khớp với Khe hở trục vít vỏ bơm nhỏ Vỏ (thân) bơm có bọng hút A bọng đẩy B Hình 4-12 Bơm làm việc theo nguyên lý sau: Chất lỏng điền đầy bọng hút A rãnh ren vị trí C Khi trục vít quay vịng thân ren (t) trục vít ăn khớp với rãnh ren C chất lỏng bị đẩy từ vị trí C đến C' từ C' đến C'' vịng quay Nếu trục vít quay liên tục chất lỏng chuyển từ bọng hút A đến bọng đẩy B liên tục đặn Nhược điểm bơm hai trục vít ren chữ nhật (hoặc ren hình thang) tổn thất lưu lượng, thuỷ lực khí tương đối lớn, hiệu suất bơm tương đối thấp Đặc biệt tổn thất lưu lượng bơm (do có chảy rị chất lỏng từ bọng đẩy bọng hút qua khe hở) nguyên nhân ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất bơm Biện pháp nhằm hạn chế tổn thất lưu lượng bơm hai trục vít tăng số bước ren ren đồng thời giảm chiều dài bước ren đến mức độ cho phép Có kích thước bơm khơng tăng nhiều hiệu suất khí bơm khơng thể giảm thấp Ngày người ta chế tạo sử dụng nhiều loại bơm ba trục vit có tính làm việc cao Hình 4-13a sơ đồ kết cấu bơm ba trục vít có dạng ren Xiclơit, bơm có trục vít chủ động ăn khớp với trục vít bị động thân bơm có hai lần vỏ nên khả tản nhiệt tốt Tuy nhiên bơm ba trục vít có ngun lý làm việc tương tự bơm hai trục vít Trên mặt cắt ngang bơm ba trục vít (hình 4-13b) ta thấy khơng có khe hở mặt ren Xiclơit trục vít ăn khớp với nhau, nghĩa loại bơm tích làm việc kín so với bơm hai trục vít Do hiệu suất lưu lượng bơm ba trục vít lớn ngồi làm tăng góc nâng mối ren nên hiệu suất khí cao nhiều so với bơm hai trục vít Như bơm ba trục vít với dạng ren Xiclơit có hiệu suất tính làm việc cao bơm hai trục vít Từ cho thấy loại bơm ngày sử dụng rộng rãi cơng nghiệp nói chung truyền động thuỷ lực nói riêng I-I a) b) d 71 D Hình - 13 * Lưu lượng bơm trục vít Như giới thiệu trên, vòng quay trục vít chuyển khối chất lỏng tích thể tích rãnh ren bước ren (t) Với F diện tích mặt cắt ngang rãnh ren lưu lượng riêng lý thuyết bơm trục vít là: q1 = F t (4-79) Vậy giây ta có lưu lượng lý thuyết Q1 là: Q= n.q1 n.F t = 60 60 (4-80) Ở đây: n - số vòng quay bơm phút t - chiều dài bước ren, dm Đối với bơm hai trục vít ta tính F gần theo công thức: π ( D − d ) F= Với D, d - đường kính đỉnh chân ren, dm Vậy lưu lượng thực tế giây bơm hai trục vít là: Q2 = η v Q1 = ηv t.n.π (D − d ) 240 (l/s) (4-81) ηV - hiệu suất lưu lượng (thể tích) bơm hai trục vít, ηV = 0,75 ÷ 0,85 Bằng phương pháp tương tự, người ta tính lưu lượng bơm ba trục vít theo cơng thức gần sau: Q3 = 0,069.d n.ηv (l/s) (4-82) Trong đó: Q3 - lưu lượng thực tế bơm giây, d - đường kính chân ren trục vít chủ động, ηV - hiệu suất lưu lượng, thường ηV = 0,80 ÷ 0,95 Với bơm có lưu lượng lớn ηV lớn n - số vịng quay trục vít chủ động phút Để đảm bảo không xảy tượng xâm thực bơm số vịng quay tối đa nmax cần thoả mãn điều kiện sau: 72 nmax ≤ 8175 Q3 ηv (v/ph) (4-83) Khi tính tốn sơ ta chọn: ηV = 0,80 ÷ 0,85 b) Động trục vít Nếu cho dịng chất lỏng có áp suất đủ lớn vào họng đẩy B bơm trục vít bơm trở thành động thủy lực trục vít Mơmen quay trục động trục vít xác định theo cơng thức: MĐ = Q η Đ p ω (4-84) Q: lưu lượng thực tế động ηĐ: hiệu suất động p: áp suất làm việc động (áp suất chất lỏng làm việc động cơ) ω= π n 30 (với n số vòng quay phút động cơ) Thay Q từ (4-81) ta có mơmen quay bơm hai trục vít: MĐ = ηV η Đ p.t.( D − d ) (4-85) 4.5.4 Bơm động thuỷ lực cánh gạt 4.5.4.1 Bơm cánh gạt a) Kết cấu nguyên lý làm việc Bơm Rô-to cánh gạt đơn giản loại hai cánh gạt (hình 4-14) Bơm gồm có vỏ (thân) bơm hình trụ 1, rơ-to phẳng Khoảng lệch tâm vỏ rô-to e Phần không gian giới hạn vỏ Rô-to gọi thể tích làm việc bơm Khi rơ-to quay, nhờ lực đẩy lò xo nên phẳng luôn tỳ sát vào thành vỏ bơm gạt chất lỏng, gọi cánh gạt Nếu rô-to quay theo chiều mũi tên, thể tích chứa chất lỏng từ A đến mặt cắt C-C tăng, áp suất chất lỏng giảm, nhờ chất lỏng hút vào bơm Trong khoảng di chuyển cánh gạt từ mặt cắt C-C đến B thể tích chứa chất lỏng giảm, áp suất tăng nên chất lỏng bị ép vào ống đẩy Từ nguyên lý làm việc nêu trên, ta thấy lưu lượng bơm khơng đều, nhỏ cánh gạt bắt đầu vào vị trí I lớn cánh gạt vị trí C-C Điều quan trọng phải bố trí cánh gạt Rơ-to cho cánh gạt bắt đầu vị trí I cánh gạt vừa vị trí II (nghĩa thơi khơng gạt chất lỏng nữa) Cách bố trí đảm bảo cho chất lỏng không chảy ngược từ bọng đẩy bọng hút không bị "đọng lại" thể tích làm việc bơm 73 a/ a/ A B P D a C Hình 4-14 Hình 4-15 Trên thực tế để lưu lượng bơm ổn định, người ta thường tăng số cánh gạt bơm từ đến 12 Ví dụ hình 4-15 sơ đồ kết cấu bơm cánh gạt Với sơ đồ kết cấu gờ chắn AB ngăn không cho chất lỏng chảy ngược (từ buồng đẩy bng hút) phải có chiều dài thích hợp Ở đây, lưu lượng nhỏ bơm cánh gạt bắt đầu đến điểm A điểm B lớn cánh gạt cung AB Cung AB chứa góc tâm α tạo hai cánh gạt hướng tâm đặt cung vỏ bơm Bơm khơng có xo đẩy tỳ cánh gạt vào thành vỏ nối thông đầu rãnh phía rơ-to với bọng đẩy tạo nên áp suất cao làm cho cánh gạt tỳ vào thành vỏ Qua hai bơm giới thiệu ta thấy chu kỳ làm việc (hay vịng quay rơ-to) bơm thực lần đẩy lần hút chất lỏng, nên gọi bơm tác dụng đơn Nhược điểm bơm tác dụng đơn bơm làm việc với áp suất cao tải trọng tác dụng lên ổ trục lớn Để khắc phục nhược điểm người ta chế tạo bơm cánh gạt tác dụng kép (hình 4-16a) Khác với bơm tác dụng đơn, mặt vỏ bơm tác dụng kép mặt trụ, tâm rô-to trùng với tâm vỏ bơm Bơm có hai bọng hút (AB, EF) hai bọng đẩy (CD, HG) Hai bọng hút nối với ống hút, hai bọng đẩy nối với ống đẩy Các bọng hút bọng đẩy bố trí mặt bên vỏ bơm đối xứng với tâm vỏ Trong chu kỳ làm việc, bơm tác dụng kép thực hai lần hút hai lần đẩy chất lỏng, nhờ bơm làm việc ổn định áp suất cao Ngoài ra, bọng đẩy bọng hút bố trí đối xứng với qua tâm nên tải trọng trục rô-to giảm nhiều Đôi người ta làm rãnh rô-to không theo hướng kính mà lệch với hướng kính góc α (khoảng ÷ 130) hai cánh gạt trượt dễ dàng (hình 4-16 b) b) a) r2 C D A E H G h B C D r1 B A E H F G F 74 α Hình 4-16 Nhìn chung bơm rơ-to cánh gạt có áp suất hiệu suất làm việc tương đối thấp nên phạm vi sử dụng chúng hẹp nhiều so với bơm bánh Tuy nhiên bơm cánh gạt có ưu điểm chung kết cấu nhỏ gọn đơn giản, riêng bơm tác dụng đơn cịn điều chỉnh lưu lượng phạm vi lớn Do chúng thường dùng đường ống phụ truyền động thuỷ lực để cấp dầu phận bôi trơn Các thông số bơm rô-to cánh gạt: - Số vòng quay làm việc n = 1000 ÷ 2000 v/ph, - Áp suất làm việc tối đa: p ≤ 20 at, bơm tác dụng đơn p ≤ 70 at, bơm tác dụng kép - Lưu lượng: Q = ÷ 150 l/s, bơm tác dụng đơn Q = ÷ 200 l/s, bơm tác dụng kép - Hiệu suất làm việc η = 0,5 ÷ 0,8 b) Lưu lượng bơm Rô-to cánh gạt Trên thực tế lưu lượng trung bình bơm cánh gạt tác dụng đơn tính theo cơng thức: Q= n.e.b.ηv ( 2π r − δ Z ) 30 (l/s) (4-86) Trong đó: n - số vòng quay bơm phút e - độ lệch tâm, dm b - chiều rộng cánh gạt, dm ηV - hiệu suất lưu lượng bơm cánh gạt, ηV = 0,8 ÷ 0,9 r - bán kính mặt làm việc vỏ bơm, dm δ - bề dày cánh gạt, dm Z - Số cánh gạt Đối với bơm cánh gạt tác dụng kép ta tính lưu lượng theo cơng thức: Q= n.b.η v 30 ( ) δ Z (r2 − r1 )   π r2 − r12 −  cosα    75 (4-87) Ở đây: α - góc nghiêng cánh gạt so với hướng kính Từ (4-86) (4-87) ta thấy lưu lượng bơm cánh gạt tác dụng đơn điều chỉnh được, cịn lưu lượng bơm tác dụng kép không điều chỉnh khơng có độ lệch tâm (e) rơ-to vỏ bơm Đó yếu tố quan trọng để ta xem xét điều kiện ứng dụng hai loại bơm 4.5.4.2 Động thủy lực cánh gạt Động thủy lực cánh gạt có kết cấu bơm cánh gạt, tương tự máy rôto khác, bơm động thường tức máy hoạt động thuận nghịch Do đó, tính chất làm việc cơng thức tính tốn tương tự bơm cánh gạt 4.5.5 Bơm chân khơng vịng nước Trong kỹ thuật nhiều cần phải tạo chân không Loại bơm đơn giản để tạo chân không bơm chân khơng vịng nước Hình 4-17 Bơm gồm vỏ hình trụ trịn có rơto Trên rơto có gắn cố định cánh gạt Tâm vỏ rôto lệch khoảng e Trong vỏ có nước Khi rơto quay cánh gạt khuấy nước, tác dụng lực li tâm, nước tạo thành hình vành khăn bao quanh rơto làm kín bơm Ở mặt bên vỏ bơm có miệng hút a thông với ống hút miệng đẩy b thông với ống đẩy Miệng hút có tiết diện lớn miệng đẩy Khi cánh gạt quay theo chiều mũi tên từ mặt cắt AB đến CD thể tích chứa khơng khí rơto vịng nước tăng dần, áp suất giảm, khơng khí bị hút vào bơm qua miệng hút Từ mặt cắt CD đến AB thể tích khơng khí vịng nước rơto giảm dần, khơng khí bị cánh gạt nén lại với áp suất cao bọng hút bị đẩy vào ống đẩy Trong q trình rơto quay, áp suất miệng hút bơm giảm dần tạo nên độ chân không ngày cao ống hút Vịng nước có tác dụng làm kín khơng cho khơng khí miệng đẩy quay trở lại miệng hút Vì gọi bơm vịng nước Như ta thấy nguyên lý làm việc bơm chân khơng vịng nước ngun lý làm việc bơm cánh gạt tác dụng đơn Về kết cấu, bơm chân khơng vịng nước khác với bơm cánh gạt chỗ cánh gạt không trượt rãnh rơto khơng tỳ vào thành vỏ bơm buồng làm việc làm kín vịng nước 76 Bơm chân khơng vịng nước thường dùng để tạo chân không ống hút bơm li tâm mồi bơm máy khác Áp suất chân không tạo lớn bơm chân khơng vòng nước pck = – 9,6 m cột nước 77 ... chuyển động khác Xi lanh thủy lực dùng nhiều cấu chấp hành truyền động thủy lực thể tích Xi lanh thủy lực chia làm hai loại: xi lanh lực xi lanh mômen Trong xi lanh lực, chuyển động tương đối... lanh lực Áp suất p chất lỏng buồng làm việc xi lanh tạo nên áp lực P cần pittông Nếu khơng kể tới lực ma sát ta có: P = p.ω (4-30) ω: diện tích làm việc pittơng Thể tích làm việc xi lanh lực: ... 4.5 Máy thuỷ lực rôto 4.5.1 Khái niệm chung máy thuỷ lực rôtô Các máy thủy lực rôto đời sớm loại pittông rôto dùng rộng rãi ngành chế tạo máy động lực Áp suất làm việc MTL rôto thường cao MTL