Giáo trình Truyền động thủy lực: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 2 của giáo trình Truyền động thủy lực tiếp tục trình bày những nội dung về: truyền động thủy tĩnh; truyền động thủy động; các phần tử chủ yếu trong hệ thống truyền động thủy lực; biến tốc thủy lực; tổn thất áp suất trong ống dẫn;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 4 TRUYỀN ĐỘNG THỦY TĨNH 4.1 Khái niệm chung

4.1.1 Khái niệm

Truyền động thủy lực thể tích (TĐTLTT) còn gọi là truyền động thủy lực thủy tĩnh, nó chủ yếu dựa vào tính chất không nén được của chất lỏng để truyền áp năng, nhờ

đó có thể truyền động được xa mà ít tổn thất năng lượng

Truyền động thủy lực thể tích là hệ truyền động, trong đó máy bơm và động cơ

thủy lực thuộc nhóm máy thủy lực thể tích

Cấu tạo của hệ thống TĐTLTT gồm có ba bộ phận chính:

- Máy bơm (bộ phận tạo nguồn năng lượng)

- Động cơ thủy lực ở nhánh ra (bộ phận truyền động cho cơ cấu chấp hành - phụ tải)

- Bộ phận điều chỉnh và điều khiển

Trong phần đầu, cơ năng của động cơ dẫn động (thí dụ động cơ điện) qua máy bơm được biến thành áp năng của chất lỏng Đến phần thứ hai, áp năng của chất lỏng được biến thành cơ năng của động cơ thủy lực làm chuyển động cơ cấu chấp hành Bộ phận biến đổi và điều chỉnh có nhiệm vụ điều chỉnh và điều khiển năng lượng dòng chất lỏng phù hợp với yêu cầu của động cơ thủy lực Ngoài ra còn có các đường ống dẫn dòng chất lỏng chảy liên tục từ máy bơm đi qua các cơ cấu điều chỉnh và điều khiển đến động

cơ thủy lực

Do cấu tạo gọn, tính đa năng trong chuyển động của cơ cấu chấp hành (chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay,…) và những ưu điểm đặc biệt của nó, mà TĐTLTT được ứng dụng rộng rãi trong các máy công cụ, đặc biệt là ở các máy mỏ

Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm sau:

- Do áp suất làm việc của hệ thống rất cao nên khó làm kín các buồng làm việc, yêu cầu gia công của chi tiết có độ chính xác rất cao nên giá thành đắt

- Chất lỏng làm việc phải có chất lượng rất cao: sạch, không gây ăn mòn, bôi trơn tốt, độ nhớt ổn định khi nhiệt độ thay đổi

4.1.2 Các thông số cơ bản của máy thủy lực thể tích

Trong thực tế khi các máy thủy lực thể tích làm việc thì buồng làm việc của máy không thể kín tuyệt đối 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 tải trọng thì sự rò rỉ càng tăng và tới một trị số áp suất giới hạn nào đó thì lưu lượng của máy sẽ hoàn toàn mất mát do rò rỉ Ngoài ra áp suất làm việc còn bị hạn chế bởi sức bền của máy Vậy để bảo đảm sự làm việc bình thường của máy thủy lực thể tích cần 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 tự động thải bớt chất lỏng để giảm áp suất làm việc của máy

4.1.2.1 Lưu lượng

- Gọi Q1 là lưu lượng lý thuyết của máy thủy lực thể tích:

Q1 bằng tổng thể tích làm việc của máy trong một đơn vị thời gian

Q1 = q1 n (4-1)

Trong đó: q1: Lưu lượng riêng của máy

n: Số chu kỳ làm việc của máy trong một đơn vị thời gian

- Vì thực tế có sự rò rỉ lưu lượng, nên lưu lượng thực tế của máy là Q: Q < Q1

4.1.2.2 Áp suất

- Biết rằng cột áp của máy thủy lực thể tích được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi áp suất tĩnh của chất lỏng khi chuyển động qua máy; nên thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy theo công thức cơ bản của thủy tĩnh có:



P

: Trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

- Áp suất trong buồng làm việc có liên quan đến lực tác dụng hoặc mô men quay của máy

- Đối với máy thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến áp suất làm việc p tác dụng lên pit tông tạo nên một áp lực P:

P = p  (4-3)

: Diện tích làm việc của mặt pít tông

- Đối với máy thủy lực thể tích có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rô to tạo nên mô men quay M

- Công thức tính mô men quay của trục bơm và động cơ là:

+ Đối với bơm: MB = Q p K M p

B

.

  = (4-6)

+ Đối với động cơ: MĐ = Q..p .K M.p

 = (4-7)

4.1.2.3 Hiệu suất và công suất

- Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực xác định theo

 = Q C H (4-8) Đối với máy thủy lực thể tích, tổn thất thủy lực tương đối nhỏ H  1

- 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 (4-11) P: áp lực trên pít tông

v: Là vận tốc trên pít tông

+ Đối với động cơ có chuyển động quay

NĐ = M. (4-12)

M: Là mô men quay trên trục

: Là vận tốc góc

4.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ truyền động thuỷ tĩnh (TĐTLTT)

Sau đây ta sẽ nghiên cứu hai dạng chuyển động của TĐTLTT: chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay

4.2.1 Truyền động thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến

Hình 4-1 là sơ đồ đơn giản của truyền động loại này nó gồm 3 phần:

Phần 1: Là bơm pit tông (1)

Phần 2: Là xi lanh lực (6)

Phần 3: Van một chiều (2) và (3) cơ cấu phân phối (5) và bình chứa dầu (4)

Nguyên lý: nhờ chuyển động cơ khí làm bơm pít tông (1) chuyển động tịnh tiến lên

xuống Khi pít tông di chuyển lên, chất lỏng từ bình chứa (4) được hút vào xi lanh qua van (2) của bơm Khi pít tông chuyển xuống van (2) bị đóng lại, Chất lỏng từ xi lanh của

bơm (1) đẩy qua van (3) qua van phân phối (5) vào khoang trên của xi lanh lực (6)

Dưới áp lực cao của chất

lỏng trong khoang trên của xi lanh

làm pít tông bị đẩy xuống dưới

Muốn đảo chiều chuyển động của

pít tông, chỉ cần xoay vị trí cơ cấu

phân phối một góc 900

Trong hệ thống truyền động

trên, cơ năng của pít tông trong

bơm được biến thành áp năng của

chất lỏng Sau đó trong xi lanh, áp

năng của chất lỏng lại biến thành

cơ năng đẩy pít tông chuyển động

XB;XĐ: Đoạn di chuyển của pít tông trong bơm và xi lanh lực

FB ; FĐ: Diện tích mặt làm việc của pít tông trong bơm và xi lanh lực

Vận tốc của pít tông trong bơm và trong xi lanh lực là:

Đ D

F

Q F

Q

(4-16)

Nếu bỏ qua tổn thất cột áp trong hệ thống thì áp suất do bơm tạo ra bằng áp suất trong khoang làm việc của xi lanh lực; vì: p =

B

B

F P

Trong đó: p - áp suất trong xi lanh của bơm

PB- lực đặt lên pít tông của bơm

- Lực do pít tông của xi lanh lực tạo ra là: PĐ = P.FĐ

Công suất của bơm: NB = PB.vB (4-17)Công suất của động cơ thủy lực: NĐ = PĐ.vĐ

B B

B Đ

F

Q F P

Q

= (4-19)

=> NB = NĐ Vì (QĐ = QB)

- Trong truyền động này chúng ta có thể dùng loại máy bơm rô to, Hình 4-2

Để cho hệ thống TĐTL an toàn

khi bị quá tải, ta đặt van an toàn 2

Trường hợp này lưu lượng cho bơm

được xác định là:

QB = qB.nB (4-20)

ở đây: qB - lưu lượng riêng của

bơm tính cho một vòng quay

nB - số vòng quay của bơm trong một đơn vị thời gian (v/phút)

- Vận tốc của pít tông trong xi

lanh lực là:

vĐ= qB

Đ

Đ Đ

B

F

Q F

n = (4-21)

Hình 4-2 Sơ đồ TĐTLTT với máy bơm rô to

Còn công suất của bơm trong trường hợp này: NB= p.QB = p.qB.nB (4-22)

4.2.2 Truyền động thủy lực thể tích có chuyển động quay

(Hình 4-3) là sơ đồ truyền động thủy lực thể tích có chuyển động quay

Để tạo ra chuyển động quay của bộ phận chấp hành, trong TĐTLTT loại này, người ta dùng động cơ thủy lực rô to 4 (hoặc động cơ pittông rô to)

- Trong trường hợp này lưu lượng tiêu thụ của động cơ thủy lực rô to là:

Trong đó: qĐ: Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực

Vì vậy vận tốc quay của động cơ thủy lực là: nĐ= nB

Đ

B

q q

Nếu công suất của động cơ thủy

lực là NĐ thì mô men quay do rô to của

động cơ thủy lực tạo ra là:

Đ

Đ Đ

n

N M

.q Đ p

Hình 4-3 sơ đồ truyền động thủy lực thể tích có chuyển động quay

Nhận xét chung:

- Qua nghiên cứu các sơ đồ truyền động thủy lực thủy tĩnh chúng ta thấy trong trường hợp chất lỏng làm việc không rò rỉ vận tốc của động cơ thủy lực phụ thuộc vào lưu lượng của bơm và động cơ thủy lực Nếu thay đổi một trong hai yếu tố đó thì có thể thay đổi được vận tốc của động cơ thủy lực

- Thực tế không thể tránh khỏi sự rò rỉ nên lưu lượng vào động cơ thủy lực nhỏ hơn lưu lượng do bơm tạo ra Giả sử tổn thất lưu lượng là Q thì lưu lượng vào động cơ thủy lực sẽ là: QĐ = QB - Q

Biết rằng tổn thất lưu lượng tỷ lệ với áp suất của chất lỏng trong hệ thống:

B Đ

F

K F

Q

v = − p (4-25)

Từ đây ta nhận thấy: Tốc độ của động cơ thủy lực trong thực tế không phải chỉ phụ

thuộc vào lưu lượng của bơm mà còn phụ thuộc vào áp suất làm việc của hệ thống Mặc

dù lưu lượng bơm không đổi, nhưng nếu áp suất trong hệ thống càng tăng tới một giá trị nào đó để

Đ Đ

B

F

K F

Q = p; thì vận tốc của động cơ thủy lực bằng không Trường hợp này xảy

ra khi động cơ thủy lực quá tải khi đó chất lỏng trong hệ thống được tháo hoàn toàn về thùng chứa qua van an toàn và những khe hở trong hệ thống

- Lực và mô men quay do động cơ tạo nên phụ thuộc vào áp suất trong động cơ thủy lực và các thông số hình học FĐ, qĐ của nó Nếu các thông số hình học không đổi thì

khi p = const, lực hoặc mô men quay cũng không đổi Nếu trong quá trình làm việc của truyền động thủy lực ta thay đổi FĐ, qĐ thì sẽ thay đổi được lực hoặc mô men quay

Ngược lại nếu giữ nguyên các thông số hình học FĐ, qĐ mà thay đổi áp suất chất lỏng trong động cơ thuỷ lực nhờ những cơ cấu thủy lực đặt trong hệ thống, ta cũng có thể thay đổi được lực và mô men quay của động cơ thủy lực

Vậy việc điều chỉnh vận tốc, lực, mô men quay của động cơ thủy lực về trị số và cả

phương chiều, ngoài cách dùng các bơm, động cơ thủy lực điều chỉnh được, còn có thể

dùng các cơ cấu thủy lực gọi chung là các phần tử thủy lực

4.3 Các phương pháp điều chỉnh chế độ làm việc của hệ thống TĐTLTT

Như ta đã biết, các thông số cơ bản của TĐTLTT có chuyển động tịnh tiến là vận tốc vĐ và lực đẩy pittông FĐ của xylanh lực; còn đối với TĐTL có chuyển động quay là tốc độ quay nĐ và mômen MĐ của rô to động cơ thủy lực

Điều chỉnh chế độ làm việc của TĐTL chính là điều chỉnh các thông số làm việc của nó Từ nguyên lý TĐTL đã nói trên, ta thấy có thể điều chỉnh được vận tốc chuyển động của bộ phận chấp hành bằng hai cách:

- Điều chỉnh lưu lượng chất lỏng vào động cơ thủy lực;

- Điều chỉnh thể tích khoang làm việc của động cơ thủy lực

Để điều chỉnh được hai yếu tố nói trên, ta có hai phương pháp sau:

- Điều chỉnh thể tích làm việc của bơm hay động cơ thủy lực, gọi là phương pháp thể tích

- Điều chỉnh bằng tiết lưu, gọi là phương pháp tiết lưu

1 Bơm; 2 Động cơ thủy lực; 3 Đường dẫn chất lỏng; 4 Van an toàn;

5 Van một chiều; 6 Bơm phụ; 7 Bể dầu; 8 Van tràn;

(NĐ) Sẽ thay đổi bậc nhất, còn nếu thay đổi lưu lượng của động cơ (qĐ) thì công suất của nó , NĐ = const, (xem hình 4 -4b) U - hệ số điều chỉnh

Nhận xét:

a) Từ biểu thức (4-21) ta thấy tốc độ quay của động cơ thủy (nĐ) phụ thuộc vào hệ thống điều chỉnh UB cũng như UĐ, nghĩa là phụ thuộc vào sự thay đổi thể tích (lưu lượng riêng q) của cả bơm và động cơ thủy lực, xem H 4- 4:

+ Khi thay đổi thể tích của bơm (qB) thì tốc độ quay của động cơ thủy lực sẽ thay đổi từ 0 đến cực đại (Khi UB = 1) 

+ Khi thay đổi thể tích của động cơ (qĐ) thì tốc độ quay của động cơ thủy lực sẽ thay đổi  từ đến cực tiểu (Khi UĐ = 1)

Như vậy, về lý thuyết ta có thẻ thay đổi tốc độ quay trục động cơ thủy lực từ 0 đến

 Mặt khác, khi thay đổi dấu của các hệ số điều chỉnh U, ta có thể đảo được chiều quay của động cơ thủy lực

Trong thực tế tốc độ quay của động cơ thủy lực có giới hạn, bởi vì khi UĐ giảm thì

mô men quay MĐ của động cơ sẽ giảm Cần phải đảm bảo mômen quay tối thiểu của mômen quay động cơ (M Đmin )

b) Về lý thuyết, khi UB = 0 thì nĐ = 0 Thực tế tốc độ quay của động cơ thủy lực đã bằng 0 khi lưu lượng của bơm bằng lượng rò rỉ của hệ TĐTL (lúc này QB = Q ), xem H 4 -5a)

Thông thường, ít khi người ta chỉ điều chỉnh tốc độ quay của động cơ thủy lực bằng thể tích của động cơ, vì phạm vi điều chỉnh tốc của nó hẹp

Người ta thường điều chỉnh lưu lượng của bơm, vì tốc độ quay của động cơ đạt được rất cao do việc thay đổi UB không ảnh hưởng gì đến MĐ

Trong trường hợp đồng thời điều chỉnh cả bơm và động cơ thủy lực, trước hết cần xác định lưu lượng cấp tối thiểu của bơm ứng với tốc độ quay của động cơ đạt được rất cao do việc thay đổi UB không ảnh hưởng gì đến MĐ

Trong trường hợp đồng thời điều chỉnh cả bơm, và động cơ thủy lực, trước hết cần xác định lưu lượng cấp tối thiểu của bơm ứng với tốc độ quay tối thiểu của trục động cơ

và m men cực đại trên trục của nó (với UĐ =1)

Để tiếp tục tăng tốc độ quay của động cơ thủy lực, ta tăng dần lưu lượng của bơm

và theo đó là công suất của bơm cũng tăng theo, chỉ khi nào lưu lượng của bơm đạt cực đại thì mới tiếp tục tăng tốc độ quay của động cơ nhờ việc giảm thông số điều chỉnh UĐ(xem đường đặc tính nĐ = f (U), H 4-4 b)

Trong các máy mỏ chủ yếu là điều chỉnh thể tích làm việc của máy bơm để thay đổi chế độ làm việc của TĐTL

c) Chúng ta trở lại xem xét các đường đặc tính thực tế của TĐTL với việc điều chỉnh lưu lượng của bơm (H 4-5)

- Giả sử không có tổn thất lưu lượng, tốc độ quay của trục động cơ thủy lực tỉ lẹ thuận lưu lượng của bơm (đường nét đứt H 4-5 a) Nhưng thực tế có tổn thất lưu lượng, đường nĐ = f (Q) không bắt đầu từ gốc tọa độ, mà dịch về phải phải một đoạn bằng Q ( đường nét liền bên phải )

- Do tổn thất áp suất trong chuyển động, mômen trên trục động cơ MĐ sẽ không cố định, mà giảm dần (H.4-5b) Còn đường đặc tính NĐ = f (nĐ) cũng thay đổi một chút độ tuyến tính của nó

Hiệu suất thể tích (lưu lượng) của động cơ thủy lực là:

ltB

Q Q

Ở đây: Q - lượng rò rỉ chất lỏng trong hệ thống TĐTL;

QltB - lưu lượng lý thuyết của máy bơm

Ta đã biết: Q = k.p

Hình.4-5 Các đường đặc tính lý thuyết và thực tế của TĐTL TT

khi điều chỉnh bơm bằng phương pháp thể tích

k - Hệ số rò rỉ lưu lượng trong kỹ thuật, k có thể lấy như sau:

- Đối với bơm, k = (0,05 - 0,5) cm5/Ns;

- Đối với cơ cấu phân loại con trượt pittông, k = 0,002

- Đối với xi lanh lực, trong pittông có vòng đệm, k = 0,002

Hiệu suất thủy lực tl phụ thuộc vào tổn thất cột áp trong hệ TĐTL, vì vậy khi Q giảm tới

Khi tăng mômen cản thì hiệu suất sẽ giảm nhỏ do có rò rỉ chất lỏng

Trong các máy mỏ, TĐTL có điều chỉnh bằng bơm được dùng ở trong các máy com bai

Chú ý: Ta cũng có thể dùng phương pháp điều chỉnh thể tích đối với TĐTLTT có chuyển động tịnh tiến, nếu dùng bơn điều chỉnh được Việc đảo chiều chuyển động pittông xylanh lực được thực hiện nhờ cơ cấu phân phối hoặc đổi dấu của hệ số điều chỉnh UB(trong hệ thống kín) Trường hợp này, vận tốc của pittông là:

P

F Q



−

= B p

Q v

và có thể viết:

B P

B B

F

Q F

Ưu điểm: cơ bản của phương pháp thể tích này là rất kinh tế, bởi vì lưu lượng (cũng như

công suất) của bơm luôn luôn biến đổi phù hợp với lưu lượng động cơ thủy lực yêu cầu (với phụ tải) Nhưng đây cũng là nhược điểm của nó, vì sự rò rỉ chất lỏng trong bơm cũng phụ thuộc vào phụ tải

Vì vậy khi phụ tải thay đổi, việc điều chỉnh vận tốc sẽ bị khó khăn, không nhạy và khó chính xác, nhất là với hệ thống có lưu lượng nhỏ Nên phương pháp này thường dùng cho hệ thống có lưu lượng làm việc lớn và không đòi hỏi điều chỉnh chính xác vận tốc chuyển động của bộ phận chấp hành, hoặc dùng khi phụ tải thay đổi ít

4.3.2 Phương pháp tiết lưu

Bộ phận tiết lưu được đặt ở hệ thống truyền động thủy lực là để điều chỉnh hay hạn chế lưu lượng chất lỏng trong hệ thống bàng cách thay đổi sức cản đối với dòng chảy Vi vậy khi điều chỉnh tiết lưu ta sẽ thay đổi được vận tốc của động cơ thủy lực

Nếu so sánh với phương pháp thể tích đã trình bày ở trên thì ra thấy ở phương pháp thể tích, khi qĐ nhỏ thì tốc độ của cơ cấu chấp hành sẽ không đều Do vậy phải giới hạn phạm vi điều chỉnh tốc độ mức tối thiểu (nĐmin/ nĐmax)

Phương pháp tiết lưu không kinh tế, vì phải mất một phần năng lượng để khắc phục sức cản của tiết lưu và tổn thất lưu lượng qua van an toàn

Nhưng ở phương pháp này có nhiều ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ tin cậy cao (nhạy và chính xác) nên nó được dùng nhiều trong các hệ thống TĐTL, đặc biệt là dùng trong các hệ thống cần phải điều chỉnh nhạy và chính xác vận tốc của bộ phận chấp hành

Trong các máy mỏ có cơ cấu truyền động với xi lanh lực, người ta thường dùng phương pháp điều chỉnh bằng tiết lưu, với rôto người ta dùng phương pháp thể tích

Tóm lại ở phương pháp tiết lưu, người ta dùng bơm có lưu lượng không đổi, còn việc điều chỉnh tốc độ nhánh ra của động cơ thủy lực (cơ cấu chấp hành) được thực hiện bằng cách thay đổi lượng rò rỉ chất lỏng (Q) thông qua tiết lưu

Có hai phương pháp đặt tiết lưu với động cơ thủy lực:

- Phương pháp đặt nối tiếp

- Phương pháp đặt song song

4.3.2.1 Phương pháp đặt tiết lưu nối tiếp

Trong phương pháp này ta có thể đặt tiết lưu ở phía trước (trên đường ống đẩy của bơm) hoặc phía sau động cơ thủy lực (trên ống dẫn nhánh xả, H.4-6a)

Từ sơ đồ nguyên lý H.4-6.a) ta thấy rằng nếu đặt tiết lưu trước động cơ thủy lực thì

ở phía trước tiết lưu nhờ van tràn khống chế nên áp suất và lưu lượng ở đó luôn luôn không đổi Còn ở phía sau tiết lưu áp suất phụ thuộc vào áp lực đặt lên pittông của xylanh lực Khi tăng lực đặt vào pittông thì áp suất cũng tăng theo, lúc này độ chênh áp giữa hai bên tiết lưu giảm nên lưu lượng qua tiết lưu giảm theo Kết quả làm cho vận tốc pittông giảm Ngược lại, khi giảm lực đặt vào píttông thì vận tốc của píttông sẽ tăng theo

Hình 4-6 Sơ đồ nguyên lý và các đường đặc tính của

TĐTLTT với tiết lưu đặt nối tiếp

1 Bơm; 2 Động cơ thủy lực; 3 Tiết lưu

Giá trị của áp suất được chọn theo khả năng chịu tải tối đa của xylanh lực, ta có:

pĐ

Đ ck Đ tl Đ

AĐ - diện tích tiết diêbh pittông của động cơ thủy lực

tl-Đ, ck-Đ, - hiệu suất thủy lực và cơ khí của động cơ thủy lực

Như vậy, công suất của máy bơm sẽ không đổi và không phụ thuộc vào phụ tải ở nhánh

ra nghĩa là:

NB = pB .QB/ B = const (4-29) Đây là nhược điểm của phương pháp mắc tiết lưu nối tiếp vì gây lãng phí lưu lượng (do

QB = const)

Nếu không kể đến tổn thất lưu lượng trên đường dẫn thì:

pĐ = pB - pT (4-30)

QĐ = QB = Q (4-31)

ở đây: pT - áp suất đặt lên tiết lưu,

Q - Lượng chất lỏng đi va van tràn

Giá trị của pT được xác định như sau:

pT = .g.aT .QTm (4-32) Trong đó:  - Khối lượng riêng của chất lỏng làm việc;

g - gia tốc trọng trường;

aT, QT - tương ứng là hệ số cản và lưu lượng của tiết lưu;

m - Chỉ số mũ, phụ thuộc vào hệ số cản và chế độ chuyển động của chất lỏng trong tiết lưu (thường m = 2)

Giải đồng thời các biểu thức (4-30) và (4-32) theo QT, chú ý rằng khi mắc nối tiếp thì QĐ

= QT, ta có:

QĐ = [(pB -pĐ) / .g.aT]1/m (4-33) Biểu thức (4-33) cho thấy rằng khi giữ nguyên pB = const, aT = const , mà có sự thay đổi của phụ tải (thông qua thay đổi pĐ), thì lưu lượng QĐ và theo đó là tốc độ của cơ cấu chấp hành tự động thay đổi

Ứng lực trên cần pittông nhánh của xylanh lực là:

PĐ = pĐ.AĐ.tl.ck (4-34)

Vận tốc của cần pittông nhánh ra xylanh lực là:

vĐ = tl-Đ.QĐ/AĐ (4-35) Giải đồng thời các biểu thức (4-30), (4-32), (4-34) và (4-35) bằng phương pháp thế, ta được kết quả sau:

D D T B

v A a g p

- Nếu chúng ta đặt tiết lưu ở lối ra của động cơ thủy lực thì ta thấy rằng áp suất ở khoang lối vào (khoang phía trước) của xylanh lực sẽ không phụ thuộc vào các áp lực của phụ tải (đặt lên pittông) Áp suất đó sẽ không đổi và khoang sau của xylanh lực phụ thuộc vào tải đặt lên pittông Khi phụ tải tăng, áp suất ở khoang này sẽ giảm nên độ chênh áp ở tiết lưu cũng giảm, Kết quả lưu lượng qua tiết lưu giảm, do đó vận tốc của pittông cũng giảm theo

Trong phương pháp đặt tiết lưu này cũng không bảo đảm được vận tốc của pittông không đổi Nhưng ở đây khi chất lỏng bị nóng lên lúc đi qua tiết lưu sẽ không ảnh hưởng

gì đến chế độ làm việc của hệ thống, vì nó được làm nguội kịp thời ngay khi về bể chứa

4.3.2.2 Phương pháp đặt tiết lưu song song với động cơ thủy lực

Trên hình 4-7 là sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐTLTT có đặt tiết lưu song song với động cơ thủy lực Chất lỏng chuyển động trong hệ thống chủ yếu theo hai đường song song nhau:

- Đường thứ nhất: từ máy bơm - van phân phối - động cơ thủy lực - bể chứa;

a) b)

Hình 4-7 Sơ đồ nguyên lý và các đường đặc tính của TĐTL TT với tiết lưu nối song song

- Đường thứ hai: từ máy bơm - tiết lưu - bể chứa

- Vận tốc chuyển động của pittông phụ thuộc vào sự phối hợp của tiết lưu Khi tiết lưu đóng hoàn toàn thì toàn bộ lưu lượng chất lỏng sẽ đi vào xy lanh lực, và lúc này vận tốc của pittông sẽ là lớn nhất Khi mở tiết lưu, một phần chất lỏng sẽ về bể chứa nên làm giảm lượng chất lỏng vào xy lanh lực, do đó vận tốc của pittông sẽ giảm theo

Từ sơ đồ này, nếu bỏ qua tổn thất áp suất trong đường dẫn ta có thể viết:

PĐ = PB = pT (4-37)

QĐ = QB = QT (4-38)

Từ biểu thức (4-37) ta thấy: Nếu thay đổi phụ tải (tức thay đổi pĐ ) thì áp suất do máy bơm tạo ra cũng như công suất của nó sẽ thay đổi Như vậy ở phương pháp này là kinh tế hơn so với phương pháp mắc tiết lưu nối tiếp

Giải đồng thời các biểu thức (4-32), (4-38) và chú ý đến (4-37) ta được

QĐ = QB (pĐ/p.g.aT) (4-39) Kết hợp giải các biểu thức (4.32), (4.34), (4.35) và (4.38) ta có kết quả như sau:

PĐ = p.g.aT.(QB - FĐ .vĐ /ll- Đ )m.FĐ.tl-Đ.ck-Đ (4-40)

Từ các công thức (4-32) và (4-38), ta xây dựng được đồ thị hình 4-7 b

Nhận xét:

- Từ công thức (4-40) và hình 4-7b cho ta thấy rằng: Đường đặc tính PĐ = f (vĐ) là đường

cong bậc m (m  2), nhưng có đỉnh chung ở điểm v Đmax = Q Đll-Đ /A Đ (khi QT = 0) Tuy vậy, do PĐ không thể bằng 0 nên điểm đỉnh không thể là điểm làm việc được

- Khi thay đổi hệ số aT, ta có được một họ các đường cong PĐ = f (vĐ) có chung đỉnh, nghĩa là có thể nhận được các vận tốc khác nhau khi cùng giá trị PĐ = const, hoặc ngược lại là có thể nhận được các PĐ khác nhau khi cùng giá trị vĐ = const

- Nếu phụ tải PĐ giảm thì phạm vi điều chỉnh vận tốc vĐ cũng giảm theo Điều này là phù hợp với điều kiện làm việc kinh tế của TĐTLTT, nên nó có ưu điểm hơn sơ đồ đặt tiết lưu nối tiếp

- Từ công thức (4-39) có thể thấy rằng: khi aT = const cũng không đảm bảo được vận tốc không được ứng dụng

- Sơ đồ đặt tiết lưu nối tiếp được sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy, nhưng trong các máy mỏ thì nó hầu như không được ứng dụng

Qua các phương pháp mắc nối tiếp tiết lưu nói trên đều không thể tạo được tốc độ

ổn định ở nhánh ra khi thay đổi phụ tải Vì vậy nó chỉ được dùng trong các TĐTLTT có phụ tải thay đổi ít, hoặc khi thay đổi phụ tải cần giảm tốc độ của cơ cấu chấp hành hay ngược lại (ví dụ: ở các máy khoan)

4.3.2.3 Phương pháp dùng bộ điều chỉnh dòng chảy (ổn lưu) đặt song song

Khi cần điều tiết vận tốc ở nhánh ra của động cơ thủy lực không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải, người ta dùng bộ điều chỉnh dòng chảy, hình 4-8 a

Hình 4-8 Sơ đồ nguyên lý và các đường đặc tính của TĐTLTT

với bộ điều chỉnh dòng chảy

1- Máy bơm; 2 - Động cơ thủy lực; 3 - Bộ điều chỉnh dòng chỉnh (ổn lưu)

Ở phương pháp này, ta coi cả điều chỉnh dòng chảy 3 như là tiết lưu đặt song song giống trường hợp trên Như vậy, các biểu thức (4-37) và (4-38) được viết lại như sau:

pĐ = pB = pC (4-42) Trong đó: Qc , pC - tương ứng là lưu lượng, áp suất qua bộ điều chỉnh;

pV - áp suất đặt trên van điều chỉnh

Từ các công thức (4-32), (4-40) và chú ý đến các biểu thức (4-42), (4-43) ta xây dựng được đồ thị H 4-8 b

Nhận xét

Từ (4-43) ta thấy rằng khi ta không thay đổi hệ số cản của tiết lưu (tức là PT = const), nhưng phụ tải thay đổi (thay đổi pĐ), thì Pc sẽ thay đổi, song đó là do PV thay đổi Như vậy, lưu lượng qua bộ phận điều chỉnh 3 lúc này sẽ do độ mở của tiết lưu quyết định Chính vì vậy, khi phụ tải thay đổi ta vẫn nhận được vận tốc ở nhánh ra không đổi, xem các đường đặc tính nét đứt hình 4-8

Loại sơ đồ này được dùng nhiều trong truyền động thủy lực thể tích của các máy

mỏ, như: máy khoan, máy khấu than,… Tuy nhiên, do hiệu suất truyền động thấp nên nó chỉ được dùng khi công suất động cơ nhỏ (không quá 3 kW)

4.4 Các phần tử chủ yếu trong hệ thống truyền động thuỷ lực

4.4.1 Cơ cấu phân phối

Bộ phận định hướng: được dùng để thay đổi hướng chuyển động của dòng chất

lỏng bằng cách thay đổi hướng tiết diện lưu thông của nó

Bộ phận điều chỉnh: Là làm thay đổi áp suất hoặc lưu lượng (có khi cả hướng) của

dòng chảy nhờ thay đổi một phần tiết diện lưu thông

- Về tác động: Bộ điều chỉnh có hai loại: Trực tiếp và không trực tiếp

Bộ điều chỉnh tác động trực tiếp: Là loại, trong đó việc thay đổi yếu tố điều tiết

được thực hiện nhờ năng lượng của đối tượng bị điều chỉnh Ví dụ ở động cơ thủy lực dùng năng lượng của bản thân chất lỏng làm việc Loại này không cần công suất lớn để điều khiển bộ phận điều chỉnh

Bộ điều chỉnh tác động không trực tiếp: Dùng khi cần công suất lớn để điều chỉnh

(hàng trăm oát trở lên) Ở loại này, năng lượng của môi trường điều chỉnh chỉ dùng điều khiển động cơ thủy lực rồi qua đó mới tác động lên phần tử cần điều chỉnh Công suất để tạo tín hiệu điều chỉnh không cần lớn, bởi vì chỉ cần để tác động truyền qua bộ khuyếch đại thủy lực làm tăng công suất đến mức đủ để điều chỉnh phần từ cần điều chỉnh Như thế, bộ phận điều chỉnh không trực tiếp có ít nhất 3 chi tiết: phần tử cảm ứng, phần tử khuyếch đại thủy lực và động cơ thủy lực

4.4.1.2 Bộ phận định hướng

a Phần tử phân phối chất lỏng (còn gọi là van hành trình, van phân phối, van đảo chiều)

có thể phân loại theo số đường dẫn chất lỏng: Loại 2 đường dẫn; loại 3; 4; 5; … đường dẫn Hoặc theo số vị trí đóng mở 2; 3; 4; vị trí

Việc điều kiển phần tử phân phối chất lỏng có thể thực hiện bằng phương pháp cơ học (bằng tay, trục cam), bằng điện, thủy lực hoặc khí nén

Về kết cấu, phần tử phân phối có 3 loại chính: dạng khóa; van hoặc con trượt

a1 Khóa phân phối

Khóa phân phối là loại đơn giản nhất trong các cơ cấu phân phối Sự phân phối chất lỏng của nó được tiến hành bằng cách xoay nút quanh trục bản thân (hình 4-9) Nút xoay có thể cấu tạo theo kiểu hình côn, hình trụ, hình cầu… Hình 4-9 là khóa xoay có nút hình côn Tùy theo vị trí nút xoay mà các lỗ trong thân khoá sẽ thông với nhau từng cặp một

Hình 4-9 Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu khóa phân phối loại núm xoay

1 - Cần gạt;2 - Lò xo; 3 - Nút xoay;4 - Thân khoá có các lỗ thông để dẫn chất lỏng

Khi xoay nút 3 ta sẽ thay đổi được hướng chuyển động của chất lỏng Trong loại khóa có nút xoay hình trụ thì không cần lò xo ép, song để tránh rò rỉ chất lỏng, người ta chế tạo thật chính xác các chi tiết lắp ghép

a2 Van phân phối

Trên hình 4-10 là loại van phân

phối gồm có 4 van ghép lại với nhau và

được điều khiển bằng trục cam

Loại này được dùng trong các hệ

thống TĐTL cần có độ kín rất cao, hoặc

khi cần phân phối chất lỏng một cách

gián đoạn theo một quy luật nhất định

(như trong hệ thống thủy lực tùy động)

Chúng được chế tạo theo dạng van hình

côn hoặc hình cầu Trên H.4-9 là loại van

phân phối hình côn, loại van phân phối

này có thể làm việc với áp suất cao

Hình 4-10 Cơ cấu phân phối có 4 van

1 - Các van 2 - Lò xo 3- Vỏ bao;

4 - Trục cam.

Nó có ưu điểm là làm việc bền lâu, nhưng nhược điểm là lưu lượng nhỏ (không

quá 51/ phút) và lực điều khiển lớn

a3 Van phân phối kiểu con trượt

Loại này được dùng rất phổ biến trong các hệ thống TĐTL TT (Hình 4-11) Nó có

ưu điểm là dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn, làm việc bảo đảm độ tin cậy cao Mặt khác, nó

có thể làm việc với áp suất cao và lưu lượng lớn

Hình 4-11 Van phân phối kiểu con trượt và ký hiệu của nó

1- Cần pittông 2 - Vỏ van 3 - Con trượt pittông

4 - Đường dầu cao áp 5- Đường dầu hồi 6 - Xy lanh lực

Nguyên lý làm việc: Khi chưa có tín hiệu tác động vào cần pittông 1 (ở trạng thái

của sơ đồ trên), các con trượt pittông 3 bịt kín các đường đầu ra vào xilanh lực 6, nên chúng ở trạng thái không làm việc Khi có tín hiệu tác động vào cần pittông 1, thí dụ: Đẩy cần pittông 1 sang phải thì các con trượt pittông 3 cũng sang phải và mở thông đường dầu cao áp 4 vào khoang phải của xylanh lực 6, đẩy pittông 7 sang trái, đồng thời dầu hạ áp ở khoang bên trái của xylanh 6 sẽ đi ra theo đường dầu hồi 5 Nếu có tín hiệu tác động đẩy cần pittông 1 sang trái thì các quá trình diễn ra ngược lại và lúc này pittông 7 sẽ di chuyển sang phải

4.4.2 Cơ cấu tiết lưu (Bộ phận điều tiết lưu lượng)

Các dạng khác nhau của bộ điều tiết lưu lượng gồm có: tiết lưu, các cơ cấu điều tiết dòng chảy, điều tiết phân phối các van tỷ lệ lưu lượng

4.4.2.1 Van tiết lưu

Van tiết lưu (gọi tắt là tiết lưu) là một loại cơ cấu thủy lực cho phép điều chỉnh sức cản cục bộ do thay đổi kích thước lỗ thông của nó, nhờ vậy mà thay đổi được lưu lượng của chất lỏng chảy qua trong quá trình vận hành Các sơ đồ khác nhau của tiết lưu được giới thiệu trên H 4-12

Nguyên lý làm việc của loại tiết lưu có thể thấy được qua hình 4-12

Vì chiều dày  của thành nút xoay (H.4-12b) khá nhỏ nên khả năng tháo tiết lưu về thực chất không phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng

Lưu lượng qua tiết lưu được xác định theo công thức chảy qua lỗ nhỏ hoặc khe hẹp:

Hình 4-12 Sơ đồ cấu tạo của tiết lưu

a Loại hình kim; b- Loại khe hẹp có núm xoay; c - Loại bản;

d- Loại rãnh; e- Ký hiệu tiết lưu;

Trong đó:  - Hệ số lưu lượng Đối với tiết lưu khe hẹp  = 0,64 - 0,70 còn loại kim  = 0,75-0,80; p- độ chênh áp suất trong tiết lưu, - Tiết diện lỗ tháo, - khối lượng riêng của chất lỏng

Từ công thức (4-44), ta thấy lưu lượng qua tiết lưu không chỉ phụ thuộc vào tiết diện lỗ mà phụ thuộc cả vào độ chênh áp suất ở tiết lưu

Do độ chênh áp suất phụ thuộc vào phụ tải tác dụng lên cơ cấu chấp hành cho nên khi phụ tải thay đổi, tiết lưu không có khả năng tạo được vận tốc ở nhánh ra của TĐTL

Do đó tiết lưu chỉ có thể dùng ở TĐTL có phụ tải ít thay đổi, hoặc cho phép giảm vận tốc

ở nhánh ra khi phụ tải tăng (hoặc ngược lại)

4.4.2.2 Van tỷ lệ lưu lượng

Van này có hai loại nhập (cộng) hoặc tách (chia) dòng chảy, trong đó loại chia được dùng phổ biến hơn cả

Chức năng của van chia lưu lượng là duy trì một tỷ lệ lưu lượng cố định trong các nhánh dẫn song song Ví dụ, cần chia lưu lượng chất lỏng từ bơm thành hai phần bằng nhau vào hai động cơ điều khiển 2 bánh xích của một máy kéo

Van chia lưu lượng có nhiều loại khác nhau Một trong các loại đó được giới thiệu trên H.4-13a)

Nguyên lý làm việc của van này như sau:

Chất lỏng có áp suất p và lưu lượng Q được dẫn qua kênh 1 vào khoang rỗng của xylanh có pittông 2 di chuyển tự do Khi áp suất ở hai xylanh 3 và 6 bằng nhau (p1 = p2), thì tổn thất áp suất trong đường nối với hai xylanh đó sẽ bằng nhau Với độ cản ở hai nhánh nối song song như nhau thì lưu lượng qua đó phải bằng nhau:

Q1 = Q2 = Q/2

Trong trường hợp này áp suất ở hai phía của pittông bằng nhau:

2 2 2 2

2 1 1

p +g a Q = p +g a Q (4-45) cho nên pittông ở trạng thái cân bằng và ở vị trí trung bình đối xứng so với cửa 1

Độ cản a1 và a2 được lựa chọn bằng cách chỉnh các êcu đặt trong các kênh 4 và 5

Nếu giả thiết tăng lực ở một trong hai cần đẩy của xylanh, ví dụ ở phía xylanh 3, thì

ở đó áp suất sẽ tăng lên một đại lượng p làm cho áp suất ở hai đầu pittông 2 mất cân bằng, vì:

2 2 2 2

2 1 1

p + p+g a Q  p +g a Q (4-46)

Hình 4-13 Van tỷ lệ lưu lượng và ký hiệu của nó

Do đó, pittông 2 sẽ dịch về phía xylanh 6, làm thay đổi lưu lượng qua kênh 5 và làm tăng tổn thất áp suất tới giá trị pt = p Kết qủa là sẽ đưa đến sự cân bằng lực ở pittông 2, ta sẽ có Q1 = Q2 = Q/2, vì:

Q1= Q2

Như vậy, muốn cho van chia lưu lượng làm việc chính xác thì cần phải chế tạo chi tiết thật chính xác

Hình 4-13b là ký hiệu của van chia lưu lượng và nhập lưu lượng

Trong trường hợp cần duy trì tỷ lệ lưu lượng không đổi ở một số nhánh song song cùng dẫn vào một nhánh chung, người ta dùng van nhập (cộng) lưu lượng

4.4.2.3 Bộ điều tiết dòng chảy

Hình 4-14 Bộ điều tiết dòng chảy và ký hiệu của nó

Điều tiết dòng chảy dùng để duy trì lưu lượng quy định không phụ thuộc vào độ hạ

áp suất giữa ống ra và ống vào Cấu tạo của nó gồm tiết lưu, van chênh lệch áp suất để duy trì độ chênh áp suất ở tiết lưu

Nguyên lý làm việc của bộ điều tiết dòng chảy như sau (H.4-15): chất lỏng được dẫn theo lỗ 11 đi qua khe giữa con trượt 9 và vỏ 8 vào rãnh 10 rồi sau đó qua khe tiết lưu

ở nút 2 tới lỗ ra 1 Khi áp suất ở lỗ 1 giảm, thì theo rãnh 4 áp suất đó sẽ truyền vào buồng phía trên pittông của con trượt 9 Con trượt sẽ chuyển động đi lên làm cho diện tích của khe giữa con trượt và vỏ 8 bị giảm, kéo theo sự giảm áp suất ở khoang 10 Khi tăng áp suất ở cửa ra 1 thì sự vận hành của điều tiết sẽ diễn ra theo trình tự ngược lại Sự vận hành của điều tiết như vậy sẽ đảm bảo duy trì độ chênh áp trong tiết lưu với giá trị không đổi

Muốn điều chỉnh lưu lượng một cách từ từ thì ta vặn mâm xoay 6, khi cần điều chỉnh nhanh ta xoay cần 5 Lượng rò rỉ trong máy được tháo ra theo lỗ 3 Ký hiệu của điều tiết dòng chảy nêu trên H.4-15b)

4.4.2.4 Phân phối dạng tiết lưu

Van phân phối dạng tiết lưu dùng để thay đổi lưu lượng và hướng của dòng chất lỏng làm việc đồng thời trong một số đường dẫn sao cho phù hợp với các lượng điều khiển bên ngoài Thông thường phân phối tiết lưu làm nhiệm vụ như một chi tiết cảm ứng trong các cơ cấu điều tiết tác động gián tiếp với bộ khuyếch đại thủy lực kiểu con trượt được dùng trong các hệ thống theo dõi

a) b)

Hình 4-15 Bộ điều tiết dòng chảy Hình 4-16 Bộ phân phối kiểu tiết lưu con trượt

Trên hình 4-16 là sơ đồ cấu tạo của phân phối tiết lưu con trượt được nối với xylanh thủy lực

Nguyên lý làm việc của nó như sau:

Chi tiết cảm ứng tác động lên đòn bẩy 1 làm chuyển động con trượt 3 Phân phối con trượt được nối với nhánh đẩy có áp suất p1 và nhánh tháo áp suất p2 Mặt khác nó được nối với nhánh dẫn có xylanh 4 làm nhiệm vụ động cơ thủy lực của cơ cấu chấp hành

Nếu ta kéo cần 1 sang phải thì đòn bẩy 2 sẽ qua sang phải một đoạn a - a’ quanh điểm c làm cho con trượt 3 dịch sang phải một đoạn b -b’ Dưới tác dụng của lực, pittông 5 của xy lanh thủy lực sẽ dịch sang trái Chất lỏng ở khoang trái của nó sẽ bị đẩy ra ngoài

qua nhánh tràn Khi pittông 5 chuyển động sang trái thì nó sẽ kéo đòn bẩy 2 dịch trái và đóng cửa rãnh trong vỏ con trượt, ngăn chất lỏng chảy vào xylanh 4 Như vậy đòn bẩy 2 làm chức năng liên hệ ngược Trường hợp cần kéo 1 quay sang trái, thì pittông của xylanh

4 dịch sang phải, nghĩa là pittông của xylanh thủy lực sẽ kiểm soát sự vận hành của con trượt và nhờ đòn bẩy 2 mà nó thực hiện được chức năng liên hệ ngược giữa pittông 5 và con trượt 3

Nhờ liên hệ ngược nên pittông thủy lực có khuynh hướng giảm sự chuyển động ngược chiều nhau của nó với con trượt Đó là đặc điểm chủ yếu của hệ điều chỉnh có liên

hệ ngược

Ngoài dạng cấu tạo theo sơ đồ H.4-16 những phương án khác của cơ cấu điều chỉnh

tự động có bộ khuyếch đại kiểu con trượt

4.4.2.5 Bộ điều tốc

Ta biết lưu lượng chất lỏng qua tiết lưu phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất trước

và sau tiết lưu Khi phụ tải thay đổi độ lệch áp đó sẽ thay đổi Vì vậy cơ cấu tiết lưu không

có khả năng giữ cho lưu lượng qua nó không đổi Nghĩa là không thể ổn định vận tốc của động cơ thủy lực Nếu phối hợp hoạt động giữa tiết lưu và van điều áp trường hợp sẽ ổn định được lưu lượng cho động cơ thủy lực, làm cho chúng không phụ thuộc vào sự biến đổi của phụ tải Cơ cấu đó gọi là bộ điều tốc

Hình 4-17, mô tả cơ cấu, nguyên lý của bộ

điều tốc Chất lỏng được dẫn vào lỗ (1) đi qua

khe hở giữa mép của pít tông (2) của van điều áp

và vỏ (3) vào buồng (4); tiếp tục qua khe lưu

thông vào buồng (5) tới lỗ (7) Pít tông (2) được

lò xo (6) luôn đẩy tới vị trí cuối cùng Khi áp suất

sau tiết lưu giảm xuống kéo theo áp suất trong

buồng có lò xo của van điều áp giảm xuống Khi

đó pít tông (2) mất cân bằng và pít tông được đẩy

lên, tiết diện khe lưu thông giảm làm tăng sức

cân đối với dòng chảy từ lỗ (1) vào buồng (4)

Kết quả áp suất trước tiết lưu giảm xuống, bảo

đảm độ chênh áp trước và sau tiết lưu giữ như cũ

Hình 4-17 Bộ điều tốc

Như vậy để giữ cho vận tốc của bộ chấp hành ổn định và không phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải người ta thường sử dụng bộ điều tốc lắp theo ba cách sau:

- Mắc bộ điều tốc ở lối vào động cơ thuỷ lực

- Mắc bộ điều tốc ở lối ra động cơ thuỷ lực

- Mắc bộ điều tốc song song với động cơ thuỷ lực

4.4.3 Các loại van

4.4.3.1 Van một chiều

Loại này dùng để dẫn dòng chảy đi theo một chiều và chặn dòng chảy đi hướng ngược lại Về kết cấu, van một chiều được chế tạo theo kiểu hình cầu (Hình 4-18b), hình côn (Hình 4-18c) và hình đĩa (Hình 4-18d)

a, b, c, d, e,

Hình 4-18 Van một chiều và kí hiệu của nó

4.4.3.2 Chốt thủy lực

Hình 4-19 Chốt thủy lực và kí hiệu của nó

Để định vị pittông trong xylanh ở vị trí cần thiết, người ta sử dụng loại van điều khiển một chiều kiểu chốt thủy lực Chốt thủy lực có hai loại: loại tác động một phía và hai phía Loại tác động một phía được dùng trong các cơ cấu chống chèn ở mỏ (hình 4-19a

và b)

Nguyên lý làm việc của nó như sau (hình 4-19a):

- Khi cần ép cột chống, chất lỏng được đưa qua lỗ 3 tới van bi 4, đẩy van bi cùng với cần chống 5 rồi chảy qua lỗ 6 Khi ngừng cấp chất lỏng, van bi 4 do sức đẩy của lò xo

7 sẽ nâng lên trên và giải phóng khoảng trống bên trên pittông với hệ thống thủy lực Khi tháo tải ở cột, chất lỏng được cấp vào khoảng trống ở cột đẩy 1, và nhờ nó thắng được lực nén của lò xo 2 cùng với lực ép van bi 4, nó sẽ làm nối thông các lỗ 6 với 3 nên chất lỏng

sẽ chảy qua đường tháo tràn

- Khi áp suất chất lỏng tụt xuống, lò xo 2 và 7 sẽ nâng pittông 1 đi lên, van bi trở về

vị trí ban đầu

Chốt thủy lực loại tác động hai phía được dùng trong các máy khấu than ngành mỏ

(Hình 4-19c và d)

4.4.3.3 Bộ phận điều chỉnh áp suất

Bộ phận này gồm có các loại van sau:

a Van an toàn

Van an toàn (hay còn gọi là van bảo hiểm) được dùng để khống chế giá trị áp suất ở

vị trí đặt van Khi áp suất vượt quá giá trị giới hạn thì van an toàn làm việc (mở ra) để xả bớt một phần chất lỏng từ hệ thống thủy lực về bể chứa cho đến khi áp suất hạ tới mức qui định thì nó sẽ đóng lại

Van an toàn cũng có nhiều loại khác nhau: van cầu, van côn, van đĩa, van trụ, van kiểu con trượt và van màng Ba loại van: cầu, côn, trượt, có cấu tạo giống van một chiều (hình 4-20) Còn các loại van: trụ, trượt và màng, có sơ đồ cấu tạo như hình 4-21a,b và c

Van tràn dùng để duy trì th-ờng xuyên áp suất nhất định trong hệ thống thủy lực

Sự khác nhau giữa van tràn với van an toàn là ở chỗ van tràn luôn luôn làm việc để tháo chất lỏng th-ờng xuyên về bể chứa Vì vậy kết cấu của van tràn cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Tốc độ chất lỏng đ-ợc tháo nhỏ (th-ờng xuyên không quá 8m/s)

- Sự dao động áp suất không đ-ợc tác động lên chi tiết đóng van;

- Khả năng tháo của van phải đủ lớn (th-ờng không quá 8 m/s)

Thông th-ờng chi tiết của van tràn có dạng van ở H.4-21 b và hình 4-22

sự vận hành của van giảm ỏp sẽ diễn ra theo trỡnh tự ngược lại Trị số ỏp suất cần điều chỉnh được xử lý bằng vớt 4 Để trỏnh sự dao động của chi tiết đúng (pittụng), trong ống 6

cú đặt vũng lút 9 cú lỗ thụng mao dẫn Rónh 5 được nối với đường xả tràn

Ký hiệu của van giảm ỏp trờn hỡnh 4-23c

d1 Đường ống dẫn và các chi tiết ghép nối

Đường ống dùng để dẫn chất lỏng (dầu thuỷ lực) trong quá trình TĐTL làm việc Đường ống dẫn gồm: ống hút, đẩy và ống tháo Ngoài ra còn có ống thoát và ống điều khiển

Ống hút dùng để dẫn chất lỏng từ bể chứa vào máy bơm hoặc nhánh phân phối

hoặc trực tiếp từ nhánh ra của động cơ thủy lực

Ống đẩy là đoạn ống dẫn từ bơm ra hoặc từ bình tích năng đi ra, hoặc nhánh chính

vào động cơ thủy lực

Đường ống tháo dùng để tháo (xả tràn) chất lỏng làm việc vào bể chứa Trong sơ

đồ kín không có ống tháo

Đường ống thoát dùng để dẫn chất lỏng bị rò rỉ

Đường ống điều khiển dùng để dẫn chất lỏng đến các thiết bị thủy lực điều khiển như van

an toàn, van tràn, thiết bị tháo liên thông…

Đường ống có thể bằng kim loại (cứng) hoặc bằng chất dẻo (mềm)

d2 Bể chứa

Bể chứa chất lỏng có 2 loại: Bình chứa và bình tích năng

Bình chứa dùng để chứa chất lỏng và cấp chất lỏng cho TĐTL Kích thước của bình xác định theo tính toán sao cho chất lỏng tuần hoàn trong TĐTL đủ để lắng cặn và thải nhiệt ra ngoài Thông thường dung tích bình lấy bằng lưu lượng bơm trong 2-4 phút Trong bình

có vách ngăn giữa khoang tràn với khoang hút Vách ngăn có tác dụng làm cho dòng chảy trở lại yên tĩnh và tạo thuận lợi cho quá trình lắng cặn Miệng ống hút phải đặt cách đáy bình một khoảng nhất định để tránh cặn bị hút vào miệng ống Đường ống xả tràn thường đặt nằm ngang song song với đáy bình và cách đáy bình 1/3 chiều cao của bình để tránh tiếng ồn và hiện tượng khuấy cặn khi xả chất lỏng Trong bình đặt thiết bị lọc và trao đổi nhiệt H.4-27a là ký kiệu bình chứa H.4-27b, c - tương ứng là loại bình có áp suất lớn hơn

và nhỏ hơn áp suất khí trời

Bình tích năng dùng để dự trữ năng lượng của chất lỏng làm việc Bình tích năng sẽ cần thiết khi máy bơm làm việc không liên tục, hoặc khi lưu lượng không đều trong đường ống do bơm cấp không đều hoặc lưu lượng trong động cơ thủy lực không đều

Trường hợp bơm làm việc không liên tục có thể diễn ra ở bộ phận thủy lực của máy nâng, hoặc ở bộ tời

Trong trường hợp này nhờ có bình tích năng mà cơ cấu nâng - chuyển trong bộ phanh làm việc bình thường và đảm bảo hơn

Trường hợp lưu lượng không đầy TĐTL thường xả ra khi một số động cơ thủy lực được nối chung vào một bơm, nhưng các động cơ đó làm việc không đồng thời, ví dụ trường hợp máy bơm cấp dầu cho các cơ cấu chống chèn ở mỏ

Tùy thuộc vào nguyên nhân tích hay năng lượng, bình tích năng gồm có các loại: theo kiểu chất tải (H.4-27c) kiểu lò xo (H.4-27e) hoặc loại dùng khí nén (H 4-27d)

Hình 4-27 Bể chứa chất lỏng

Sơ đồ cấu tạo của bình tích năng dùng khí nén được nêu trên hình 4-27b Nó gồm

vỏ 2, trong đó nạp một phần khí nén và một phần là chất lỏng làm việc Màng ngăn 3 dùng

để tách li chất lỏng với khí nén Đệm kim loại 4 dùng để bảo vệ màng cao su 3 không bị

ép do khí nén tác dụng

Một phương pháp lọc khác là dùng vật liệu xốp thấm để giữ lại các hạt có tính chất vật lý bất kỳ, nhưng chỉ với độ thô nhất định Loại này được dùng khá phổ biến trong TĐTL Vật liệu lọc có thể là lưới kim loại, lưới chất dẻo, vải… Để lọc thô, người ta dùng lưới hoặc tấm lọc

Cấu tạo của tấm lọc (hình 4-28) gồm: Vỏ 3, nắp 2, trong nắp có hai cột 9 để treo tệp các tấm lọc 8 có tấm lót 7 Trên cọc 5 gắn tệp các miếng kẹp 6, là các bản mỏng lồng vào khe giữa các tấm lọc Tệp tấm lọc có thể xoay cùng với trục 1, trong khi đó các kẹp 6 đứng yên nên chúng sẽ cọ sạch các vòng lót giữa các tấm lọc, chất bẩn sau khi cọ khỏi tấm lọc được tháo ra ngoài qua lỗ có nút đậy 4 Ký hiệu của bộ lọc được nêu trên hình 4-28b

a) b)

Hình 4-28 Bộ phận lọc bằng tấm lọc

- Bộ lọc có thể đặt ở:

+ Nhánh ống hút trước bơm:

Trường hợp này hệ thống truyền động được làm việc với chất lỏng đã được làm sạch, bộ lọc làm việc với áp suất thấp, nhưng nó sẽ gây thêm sức cản cho nhánh hút và có thể dẫn tới xâm thực cho bơm Vì thế trên ống hút chỉ nên đặt tấm lọc thô kiểu lưới chắn rác

+ Nhánh ống đẩy sau bơm

Trường hợp này chỉ có động cơ thủy lực làm việc với chất lỏng đã được làm sạch, song ở đây bộ lọc phải làm việc trong môi trường áp suất cao Để bảo vệ bộ lọc ta có thể đặt thêm van an toàn trước bộ lọc phòng khi bộ lọc bị tắc Ngoài ra còn đặt bơm phụ để bổ sung chất lỏng khi cần

+ Trên nhánh tháo (trong bể chứa):

Lúc này bộ lọc làm việc trong điều kiện áp suất nhỏ Loại sơ đồ đặt lọc như vậy được dùng khi hệ thống thủy lực đủ kín để cách ly với môi trường bên ngoài

Thiết bị trao đổi nhiệt dùng để làm nóng hoặc làm nguội chất lỏng nhằm duy trì nhiệt độ cần thiết của nó Thiết bị này thường đặt trong bể chứa Hình 4-28 b) - là ký hiệu của thiết bị làm lạnh và hâm nóng dầu thủy lực

d4 Thiết bị đo đạc

Tùy theo nhu cầu và phạm vi các đại lượng cần đo, người ta sử dụng các loại thiết

bị đo khác nhau, gồm thiết bị đo áp suất, đo vận tốc, lưu lượng…

Thiết bị đo áp suất có loại đo áp suất dư (đo trị số áp suất lớn hơn áp suất khí trời);

đo áp suất chân không hoặc loại hỗn hợp (đo cả trị số áp suất dư hoặc áp suất chân không), loại áp kế vi phân để đo độ chênh giữa 2 áp suất đang xem xét, áp kế tuyệt đối để đo áp suất toàn phần,…

Thiết bị đo vận tốc và lưu lượng chất lỏng về nguyên lý có loại dựa theo cách đo độ chênh áp suất hoặc đo độ chênh mức nước, dựa theo nguyên lý chảy bao, số đo vòng quay, đo lực, nhiệt cảm cứng điện từ, siêu âm,…

Chi tiết về các thiết bị đo có thể xem trong các tài liệu chuyên môn

4.5 Máy bơm tạo dòng áp lực

Máy bơm là bộ phận tạo dòng áp lực được đặt ở đầu vào của hệ thống truyền động thuỷ lực (TĐTL) Nhiệm vụ của nó là cung cấp năng lượng cho dòng chất lỏng đồng thời đưa đến các đường ống dẫn, đến các cơ cấu và các động cơ thủy lực Chúng bao gồm: máy bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm cánh gạt, bơm pittông rôto hướng kính hoặc hướng trục

4.5.1 Máy bơm bánh răng

4.5.1.1 Kết cấu và nguyên lý làm việc của bơm bánh răng

- Bơm bánh răng được dùng phổ biến nhất trong các loại máy rôto vì có các ưu điểm sau:

+ Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, chắc chắn, làm việc tin cậy, tuổi bền cao, kích thước nhỏ gọn, có khả năng chịu quá tải trong một thời gian ngắn…

- Cấu tạo: Bơm bánh răng có từ hai bánh răng trở lên ăn khớp với nhau, có thể ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong Loại ăn khớp ngoài có hai bánh răng bằng nhau là đơn giản nhất Dạng răng hay được dùng là dạng thân khai hay xiclôit (dạng thân khai được dùng nhiều hơn) Số răng bánh răng của bơm thường gặp z = 8  12

- Hoạt động của bơm bánh răng được trình bày theo hình (hình 4-29)

- Bánh răng chủ động 1 gắn liền với trục chính của bơm ăn khớp với bánh bánh răng bị động 2, cả hai bánh răng đều đặt trong vỏ bơm 3 Khoảng trống A gọi là bọng hút, khoảng trống B gọi là bọng đẩy

Khi bơm làm việc, bánh răng chủ

động quay, kéo bánh răng bị động quay

theo chiều mũi tên, chất lỏng được chứa

đầy trong rãnh A được chuyển từ bọng

hút lên bọng đẩy vào thân vỏ bơm

Vì thể tích chứa chất lỏng ở bọng

đẩy giảm khi các răng của hai bánh răng

ăn khớp nên chất lỏng bị chèn ép dồn

vào ống đẩy 5 với áp suất cao, quá trình

này gọi là quá trình đẩy của bơm

Hình 4-29 Bơm 2 bánh răng

Đồng thời quá trình hút xảy ra như sau: Thể tích chứa chất lỏng tăng khi các răng ăn khớp, áp suất khoang A giảm thấp hơn áp suất trên mặt thoáng của bể hút làm cho chất lỏng được hút qua ống hút 4 vào bơm Vậy quá trình hút và đẩy của bơm xảy ra đồng thời và liên tục khi bơm làm việc

- Khi bơm làm việc bao giờ cũng có khe hở giữa đỉnh răng với vỏ bơm, giữa mặt đầu bánh răng với vỏ bơm và giữa các mặt răng, nên chất lỏng được tăng áp suất sớm hơn trước khi đến bọng đẩy Chính các khe hở này gây lên tổn thất lưu lượng của bơm bánh răng, hạn chế khả năng tăng áp suất làm việc của bơm Nếu áp suất phụ tải cao quá mức thì có thể lưu lượng của bơm hoàn toàn bị tổn thất Vì vậy để hạn chế áp suất làm việc tối

đa của bơm, cần bố trí van an toàn 6 trên ống đẩy

- Khi cần tăng lưu lượng giảm kích thước của bơm người ta dùng bơm nhiều bánh răng Thường dùng bơm 3 bánh răng (hình 4-30) có lưu lượng gấp đôi bơm hai bánh răng Để tăng áp suất ta dùng bơm nhiều cấp (hình 4-31), loại này thì bơm cấp trước cho lưu lượng lớn hơn bơm cấp sau và giữa hai cấp đặt các van an toàn để tự điều chỉnh áp suất và lưu lượng thừa để bơm bằng việc bình thường

Hình 4-30 Bơm 3 bánh răng Hình 4-31 bơm bánh răng 3 cấp

- Bơm bánh răng có nhược điểm: Không thực hiện được sự điều chỉnh lưu lượng và áp suất khi bơm làm việc với số vòng quay không đổi

4.5.1.2 Hiện tượng chất lỏng bị nén ở chân răng khi bơm làm việc

Qua nguyên lý hoạt động của bơm bánh răng ta thấy không phải toàn bộ chất lỏng trong rãnh giữa hai răng được đưa vào bọng đẩy Một phần chất lỏng bị giữ lại ở chân răng khi hai răng cùng ăn khớp với nhau Nếu giữa các mặt răng khi ăn khớp không có khe hở thì phần chất lỏng ở chân răng bị nén lại khi cặp răng vào khớp Hiện tượng này sẽ giảm khi có nhiều cặp răng vào ăn khớp cùng một lúc ( >1) (Hình 4-32)

Khi cặp răng sắp kết thúc quá trình

vào khớp thì áp suất chất lỏng nén ở chân

răng lớn nhất vì thể tích chứa chất lỏng

nhỏ nhất Nhưng khi cặp bánh răng ra

khớp thì thể tích đó lớn dần, áp suất nhỏ

đi, áp suất chân không xuất hiện Kết quả

là một phần mặt răng khi vào khớp và ra

khớp chịu thêm tải trọng phụ đổi dấu gây

ảnh hưởng xấu đến sức bền của răng,

bánh răng và ổ trục

Hình 4-32 Chất lỏng bị nén ở chân răng

- Các biện pháp khắc phục hiện tượng chất lỏng nén chân răng: (hình 4-33)

+ Làm các rãnh thoát trên thành vỏ bơm ở phía trong ngang vị trí ăn khớp của hai bánh răng Các rãnh này có thể thông với bọng hút hoặc bọng đẩy, chất lỏng ở chân răng

bị nén sẽ đi qua các rãnh này về bọng hút hoặc đẩy, do đó không gây nên tải trọng phụ + Khoan các lỗ thoát

hướng kính ở chân răng, các

lỗ này thông với các rãnh

4.5.1.3 Tổn thất và hiệu suất trong bơm bánh răng

Tổn thất trong bơm bánh răng có hai dạng: Tổn thất cơ khí và tổn thất lưu lượng:

- Tổn thất lưu lượng xảy ra trong bơm vì có các khe hở không thể tránh được trong đó khe

hở giữa mặt đầu răng với thành vỏ bơm là quan trọng nhất

Tổn thất lưu lượng qua đó chiếm 7580% của toàn bộ rò rỉ tổn thất qua bơm

- Tổn thất lưu lượng có giảm khi độ nhớt của chất lỏng tăng Nhưng nếu độ nhớt lớn quá thì giảm tổn thất lưu lượng không bù được lượng tăng tổn thất lưu lượng do chất lỏng khó chảy vào đầy rãnh chứa các răng

- Tổn thất trong quá trình hút do các rãnh răng khi đi qua bọng hút không chứa được đầy chất lỏng Hiện tượng này không những làm giảm lưu lượng mà còn gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng làm việc của bơm Khi các rãnh không chứa đầy chất lỏng đến gần bọng

đẩy sẽ có dòng chảy ngược tràn vào gây lên dao động áp lực tác dụng lên bánh răng và ổ trục; ngoài ra còn gây ra hiện tượng xâm thực và làm cho dầu chóng bị mất chất lượng

Để làm cho chất lỏng điền đầy các rãnh thông thường dùng các biện pháp:

+ Tạo áp suất thích hợp trong bọng hút, không được để áp suất trong họng hút nhỏ hơn

áp suất do lực ly tâm sinh ra khi bánh răng quay bằng cách đặt bơm thấp hơn mức chất lỏng trong bể hút hoặc tăng áp suất trên mặt thoáng ở bể hút

+ Vận tốc chất lỏng vào bọng hút không quá 3 m/s Đường dẫn chất lỏng đến bọng hút có kết cấu hình hoa

+ Hạn chế vận tốc làm việc của bánh răng, vận tốc vòng ở đỉnh răng không nên quá 8 m/s Vì khi vận tốc làm việc của bánh răng quá lớn, áp suất của lực ly tâm sinh ra đáng kể làm áp suất bọng hút càng bé hơn và có thể gây ra hiện tượng xâm thực

- Tổn thất lưu lượng của bơm được đánh giá bằng hiệu suất lưu lượng Q thường Q = 0,7  0,9 và hiệu suất của bơm là  = ck Q = 0,6  0,85

4.5.2 Máy bơm trục vít

4.5.2.1 Phân loại, ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Lưu lượng điều hòa, ít dao động hơn bơm bánh răng

- Hiệu suất cao

- Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, làm việc không ồn

- Có thể làm việc với số vòng quay lớn, áp suất cao

Hình 4-34 Sơ đồ cấu tạo máy bơm hai trục vít

- Nguyên lý làm việc của bơm dựa trên nguyên lý ăn khớp trục vít - đai ốc:

Giả sử có một đai ốc ăn khớp với ren trục vít, nếu giữ cho đai ốc không quay khi trục vít quay, thì nó sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít Ta hình dung xung quanh ren trục vít chứa đầy chất lỏng, tạo thành “đai ốc chất lỏng” ăn khớp với ren trục vít, nếu

có một tấm chắn giữ cho “đai ốc chất lỏng: không quay theo trục vít khu trục vít quay thì khối chất lỏng giữa mặt ren sẽ chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít

Sự vận chuyển chất lỏng trong bơm trục vít cũng theo nguyên tắc như vậy

Khi hai trục vít ăn khớp với nhau rãnh ren trục vít này ăn khớp với thân ren trên trục vít kia, có tác dụng như một tấm chắn không cho chất lỏng trong rãnh ren quay theo trục mà chỉ chuyển động tịnh tiến từ bọng hút đến bọng đẩy

Vì luôn có khe hở giữa mặt ren của trục vít với vỏ bơm nên tổn thất lưu lượng và thủy lực tương đối lớn Vì vậy hiệu suất của bơm tương đối nhỏ ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu quả của bơm là sự tổn thất lưu lượng trong bơm, nguyên nhân của sự tổn thất lưu lượng là sự chảy rò chất lỏng từ bọng đẩy về bọng hút qua các khe hở:

+ Khe hở giữa trục vít với vỏ bơm

+ Khe hở giữa mặt ren và giữa đỉnh ren với chân ren

Để hạn chế tổn thất lưu lượng trong bơm hai trục vít, người ta thường dùng hai cách:

+ Tăng số bước ren của mối ren trên trục vít, tức là tăng chiều dài làm việc của trục vít + Giảm chiều dài bước ren, giảm góc nâng của mối ren

Cách 1: Thì kích thước của bơm tăng

Cách 2: Làm hiệu suất cơ khí thấp (do tăng tính tự hãm của trục vít) vậy thường kết hợp

cả hai cách là tăng chiều dài của mối ren và giảm bước ren tới mức có thể và để khắc phục sự tự hãm của các mặt ren, người ta đặt thêm bộ truyền bánh răng 3 làm nhiệm vụ

hỗ trợ truyền động giữa hai trục vít

- Trong bơm trục vít cũng như bơm bánh răng nghiêng, khi làm việc phát sinh tải trọng hướng trục, tác dụng lên ổ làm giảm tuổi thọ của bơm để khắc khục hiện tượng này người

ta làm các rãnh a và b hoặc có thể dùng các trục vít có hai phần ren ngược chiều nhau để cân bằng tải trọng hướng trục

- Xác định lưu lượng của bơm trục vít:

Biết rằng mỗi vòng quay thì trục vít chuyển được một khối chất lỏng thể tích bằng thể tích rãnh ren trong một bước ren là t Nếu gọi F là diện tích mặt cắt ngang của rãnh ren thì lưu lượng riêng lý thuyết của bơm trục vít là:

q1 = F1Vậy lưu lượng lý thuyết Q1 của bơm trong một giây là:

Q = (4-48) n: Số vòng quay của bơm trong một phút

Đối với bơm hai trục vít thì F có thể xác định gần đúng theo công thức:

Lưu lượng thực tế trong một giây của bơm hai trục vít là:

1

240

.

 (4-50)

Hình 4-35 Sơ đồ cấu tạo bơm ba trục vít

Nhìn chung loại bơm này có cấu tạo và nguyên lý làm việc giống như bơm hai trục vít Chỉ khác là trục vít chủ động 1 ăn khớp với hai trục vít bị động 2 và thân bơm 3 có hai lần vỏ để tản nhiệt tốt hơn Ta thấy so với bơm hai trục vít thì loại bơm này có thể tích làm việc được làm kín tốt hơn (do diện tích làm kín giữa các mặt ren khi trục vít làm việc)

Lưu lượng thực tế của bơm ba trục vít có thể xác định theo công thức gần đúng sau:

5,14

3

Q

n d

 (4-51)Trong đó: Q: Lưu lượng thực tế của bơm trong một phút

n: Số vòng quay của bơm trong một phút

Q: Hiệu suất lưu lượng, Q = 0,80  0,95 d: Đường kính chân ren của trục vít chủ động

Hoặc có thể tính theo công thức, khi đó thì tổn thất lưu lượng Q bằng:

3

1

20

20

k k

v

kt k

D p

v

kt k

- Đối với bơm 4 trục vít thì:

Q = 3

2 , 1 3 , 1

7,34.5000

v

p t

; 1/ph (4-53) 4.5.3 Máy bơm cánh gạt

trong đó có rô to 2 Tâm của vỏ và

tô to lệch nhau một khoảng e Trên

rô to có các bản phẳng 3 Khi rô to

quay Các bản phẳng này trượt trên

các rãnh của rôto và gạt chất lỏng,

nên gọi là cánh gạt (hình 4-36)

- Nhờ lực đẩy của lò xo 4 các rãnh

gạt 3 luôn luôn tì sát vào thành vỏ

bơm Vậy khi bơm làm việc, rô to

quay theo chiều mũi tên, thể tích

Hình 4-36 Bơm cánh gạt tác dụng đơn

chứa chất lỏng từ A đến mặt cắt C - C tăng, áp suất trong chất lỏng giảm Do đó chất lỏng được hút vào bơm; khi cánh gạt di chuyển từ C - C đến B, nó làm giảm thể tích chứa chất lỏng, do dó làm tăng áp suất và đẩy chất lỏng vào ống đẩy

- Để bơm có lưu lượng đều hơn, người ta tăng số cánh gạt trong bơm, thường số cánh gạt trong bơm từ 4  12 Theo sơ đồ (hình 4-36)

Các cánh gạt không có lò xo đẩy tì vào thành vỏ; nên người ta phải nối các đầu rãnh phía trong rô to với bọng đẩy, để chất lỏng có áp suất cao thay thế nhiệm vụ lò xo đẩy mạnh các cánh quạt luôn luôn tì vào thành vỏ

Bơm có sơ đồ hình 4-36 là bơm tác dụng đơn, loại này có nhược điểm:

Tải trọng tác dụng lên ổ trục dài

Để hạn chế nhược điểm này người

ta dùng bơm cánh gạt tác dụng kép

Có kết cấu theo hình: (hình 4-37)

Mặt trong của vỏ bơm không

phải là mặt trụ, tâm của rô to trùng

với tâm của vỏ bơm Bơm có hai

bọng hút (AB, EG) và hai bọng đẩy

(CD, HK) bố trí đối xứng với tâm vỏ, Hình 4-37 Bơm cánh gạt tác dụng kép

các cung BC, DE, GH, KA Nằm trên các vòng tròn đồng tâm với rô to

Khi rô to quay theo chiều mũi tên, thì chất lỏng ở bọng hút AB chuyển qua bọng đẩy CD và tiếp theo chất lỏng từ bọng hút EG chuyển qua bọng đẩy HK, hai bọng hút nối với ống hút, hai bọng đẩy nối với ống đẩy Các bọng hút và đẩy được bố trí trên các mặt bên của vỏ bơm Vậy trong một chu kỳ làm việc, bơm thực hiện được hai lần hút và hai lần đẩy nên gọi là bơm tác dụng kép

4.5.3.3 Lưu lượng của bơm cánh gạt

a Bơm tác dụng đơn

- Lưu lượng tức thời

Lưu lượng tức thời Q của bơm phụ thuộc vào diện tích và vận tốc trọng tâm của phần làm việc của cánh gạt Nếu không kể tới ảnh hưởng của chiều dày cánh gạt, ta có:

Q = u b h (4-54)

Trong đó:

+ u: Vận tốc trọng tâm phần làm việc của cánh gạt

u = .[r 0,5e (1+cos)] (4-55) + r: Bán kính mặt làm việc của vỏ bơm

+ e: Độ lệch tâm

dt

d

 = Vận tốc góc của rô to + b: Chiều rộng cánh gạt

+ h: Chiều dài phần làm việc của cánh gạt

- Lưu lượng tức thời của bơm khi kể đến chiều dày của cánh là:

Q = Qo - Q’ (4-56) + Đối với bơm hai cánh gạt:

Q = [r - 0,5e.(1+cos)].(1-cos)..b.e - .e.b.sin (4-57) + Đối với bơm z cánh gạt:

Q = [r - 0,5e.(1+cos)].(1-cos)..b.e -  e.b −

=

−

1 2 0

) sin(

- Lưu lượng trung bình

Lưu lượng trung bình lý thuyết của bơm trong một giây là:

) 2(30

60

Q q n

z r b

e n

Q l = Q  − (4-59) Trong đó: Q = 0,8  0,9

n: Số vòng quay của bơm trong một phút

q: Lưu lượng trung bình trong một vòng quay của bơm (lưu lượng riêng)

q = q0 - q’

q0: Lưu lượng riêng của bơm khi chưa kể tới chiều dày cánh qạt

q’: Lượng giảm lưu lượng riêng do chiều dày cánh quạt

dt Q z q

t

t o



1

t1, t2: Thời điểm cánh gạt bắt đầu vào và ra khỏi gờ chắn CB ứng với các góc quay

1 =  - a/2 ; 2 =  - a/2 Tương tự có:

2



= (4-60)

- Điều chỉnh lưu lượng

Một số ưu điểm của bơm cánh gạt tác dụng đơn là có thể điều chỉnh được lưu lượng khi số vòng quay làm việc của rô to không đổi

Lưu lượng của bơm cánh gạt có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi độ lệch tâm e1 và nếu thay đổi dấu e thì có thể đảo chiều làm việc của bơm

Hình 4-38 biểu diễn nguyên lý điều chỉnh lưu lượng: Hình a: Chất lỏng đi từ A → B; hình b:c = 0; Q = 0; hình c: Chất lỏng đi từ B → A

Để thay đổi vị trí bơm đối với rô to khi điều chỉnh thường gắn vỏ bơm với co đấu vít đai ốc Tay quay 1 gắn với đai ốc, khi quay tay quay thì vít 2 gắn với vỏ bơm sẽ di chuyển sang phải hoặc trái tùy ý muốn Hình 4-39

Hình 4-38 nguyên lý điều chỉnh lưu lượng Hình 4-39 Bơm có vít ĐC

b Bơm tác dụng kép

Bơm tác dụng kép có hai đặc điểm sau:

+ Trong một chu kỳ làm việc, bơm có hai lần hút và đẩy chất lỏng

+ Vì các mặt làm việc của vỏ bơm ở các phần BC, DE, GH, KA (hình 4-37) là các mặt trục đồng tâm với rô to, nên chiều cao làm việc h = const và vận tốc trọng tâm của đoạn làm việc cánh gạt Uc cũng không đổi trong quá trình làm việc của bơm Do đó lưu lượng của bơm tác dụng kép không thay đổi theo góc quay  của rô to và được tính:

.).(

[30

1 2 2 1

r r z r

r n b

4.5.4 Bơm píttông

4.5.4.1 Kết cấu và nguyên lý làm việc

Nếu bơm pít tông được kéo bởi

một động cơ, thì chuyển động quay

của trục động cơ được biến đổi thành

chuyển động tịnh tiến của pít tông 1

trong xi lanh 2, nhờ hệ thống thanh

truyền tay quay với hành trình S = 2R Hình 4-40 Kết cấu bơm pittông

Hai điểm bơm B1, B2 của pít tông tương ứng với hai vị trí C1 và C2 của tay quay Khi trong buồng làm việc 5 chứa đầy chất lỏng, nếu tay quay từ vị trí C2 quay theo chiều mũi tên thì pít tông di chuyển từ bơm B2 về phía B1 Thể tích buồng 5 tăng dần, áp suất p trong đó giảm đi và bé hơn áp suất mặt thoáng bể chứa pa (p<pa) Vậy chất lỏng từ bể hút qua van hút 6 vào buồng làm việc 5, trong khi đó van đẩy 4 đóng Khi pít tông đến vị trí

C1 thì quá trình hút của bơm kết thúc

Sau đó, tay quay tiếp tục quay từ vị trí C1 đến C2, pít tông đổi chiều chuyển động

từ B1 đến B2 Thể tích buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút 6 bị đóng, van đẩy 4 mở, chất lỏng được đẩy vào ống đẩy Quá trình pít tông di chuyển từ B1đến B2 gọi là quá trình đẩy

Vậy cứ một vòng quay của tay quay thì bơm thực hiện được một quá trình hút - nén và đẩy liền nhau Nếu tay quay tiếp tục thì bơm thực hiện quá trình hút và đẩy như

cũ Do đó quá trình hút và đẩy của bơm pít tông gián đoạn và xen kẽ với nhau: Khác với bơm ly tâm, bơm pít tông không phải mồi, bơm có thể tự hút Gọi W0 là thể tích không khí ở ống hút và buồng làm việc, nếu pít tông chuyển động về vị trí B1 thì không khí giãn

ra với thể tích W0 + FS, lúc này áp suất trong buồng làm việc p < pa :

p = pa p a

FS W

W

 +

0

0 (4-62) Nếu chất lỏng từ bể hút chảy vào ống hút và dâng lên được một độ cao:



p p

= (4-63) Nếu pít tông tiếp tục làm việc, chất lỏng từ bể hút sẽ dâng dần theo ống hút và điền đầy bơm

- Lưu lượng của bơm được xác định:

Phân loại bơm pít tông:

+ Có bơm tác dụng đơn, kép, tác dụng nhiều lần, bơm pít tông đĩa, bơm pít tông trụ

+ Theo áp suất, bơm pít tông được chia:

* Bơm áp suất thấp: p < 10at

* Bơm áp suất trung bình: p = 10  20 at

* Bơm áp suất cao: p > 20at + Theo lưu lượng, bơm pít tông được chia:

a) Phương trình Becnuli cho dòng không ổn định trong bơm pít tông, cột áp quán tính

Vì vận tốc chuyển động của chất lỏng trong bơm phụ thuộc vận tốc chuyển động của pít tông v = f (t) có gia tốc 0

dt

dv

Chất lỏng chuyển động có gia tốc thay đổi theo thời gian dọc theo dòng chảy Gia tốc này

, Như vậy khối chất lỏng có khối lượng m chuyển

động trong bơm sẽ chịu tác dụng của một lực quán tính:

dt

dv m

(Dấu - biểu thị lực quán tính ngược chiều với chiều gia tốc) Lực quán tính tác dụng lên dòng chảy trong hệ thống bơm pít tông có ảnh hưởng không tốt đến bơm, đường ống và các bộ phận khác Theo công thức tính lực quán tính trên có nhận xét: Tại một thời điểm khối chất lỏng đang chuyển động có gia tốc cùng chiều với chiều chuyển động thì lúc đó lực quán tính đóng vai trò lực cản đối với dòng chảy và ngược lại

Như vậy dòng chảy trong bơm pít tông là dòng không ổn định, trong phương trình năng lượng của dòng chảy không ổn định phải có thành phần của lực quán tính phương trình có dạng:

const d

t

v g

h g

v p



+++

h 1 : Là cột áp quán tính (4-65) Cột áp quán tính có thể gây ra hiện tượng xâm thực và làm hư hỏng các thiết bị của bơm và hệ thống

b) Áp suất của bơm pít tông trong quá trình hút và đẩy

Qua nghiên cứu áp suất trong bơm pít tông ở quá trình hút và đẩy, ta cần sử dụng bơm thỏa mãn các điều kiện sau đây để tránh hiện tượng xâm thực xảy ra đối

với bơm: - Chọn ống hút có chiều dài ngắn nhất và có đường kính lớn nhất

- Số vòng quay của trục bơm không được quá lớn, n = 100  200vg/ph

- Giảm chiều dài ống đẩy (nên giảm các đoạn nằm ngang của ống đẩy)

- Tăng diện tích mặt cắt của ống đẩy

- Giảm diện tích mặt pít tông(F), bán kính quay tay quay (R) và số vòng quay làm việc (n)

4.5.4.3 Khắc phục sự chuyển động không ổn định của chất lỏng trong bơm píttông

Sự chuyển động không ổn định của chất lỏng trong quá trình làm việc của bơm pít tông, ta thấy rõ tính chất dao động của lưu lượng và áp suất gây ra nhiều tác hại làm tăng tổn thất thủy lực, gây chấn động và nếu bơm làm việc trong hệ thống ống dài, có thể xuất hiện va đập thủy lực làm hỏng các bộ phận làm việc của bơm và hệ thống Trong trường hợp nhiều bơm cùng làm việc trong một hệ thống, biên độ dao động của áp suất trong hệ thống có thể tăng lên rất lớn vì cộng hưởng Sự giao động của áp suất và lưu lượng của bơm còn ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của hệ thống thủy lực Vì vậy phải có biện pháp hạn chế tính chất không ổn định của dòng chảy trong bơm pit tông, thường có ba

biện pháp sau:

1 - Dùng bơm tác dụng hai chiều (bơm tác dụng kép)

2 - Dùng bơm ghép (ba bơm trở lên) hay bơm pit tông có chuyển động quay

3 - Dùng bình không khí để điều hòa lưu lượng, áp suất: có bình điều hòa hút và bình điều hòa đẩy

4.5.4.4 Đường đặc tính của bơm pit tông

- Đường đặc tính làm việc cơ bản của pit tông có dạng:

Đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ H = f(Q) với hai số vòng quay làm việc khác nhau n2 > n1

Theo lý thuyết của máy thủy lực thể tích, cột áp của máy không phụ thuộc lưu lượng, vậy đường đặc tính lý thuyết của bơm được biểu diễn bằng đường song song với trục tung OH (Hình 4-41) ứng với các lưu lượng không đổi (đường AB, CD) Nhưng đường đặc tính thực nghiệm của bơm pit tông thì

không hoàn toàn như vậy, chúng được

biểu diễn bằng đường AG, CR, v.v Khi

cột áp của bơm tăng thì lưu lượng có

giảm đi, vì khi áp suất tăng thì tổn thất

lưu lượng tăng, làm giảm lưu lượng

thực tế của bơm Nếu áp suất làm việc

quá lớn thì lưu lượng của bơm có thể

mất hoàn toàn do rò rỉ, hoặc van an toàn

mở để xả chất lỏng về bể hút áp suất

lưu lượng biểu diễn theo đoạn GL điểm

G ứng với thời điểm van an toàn được

Sự chênh lệch giữa đường đặc tính cột áp lý thuyết và thực nghiệm càng nhiều khi

số vòng quay làm việc càng lớn Vì khi đó tổn thất năng lượng tăng không phải chỉ do rò

rỉ mà còn do sự đóng mở của các van đẩy và hút không kịp thời làm giảm lưu lượng thực

tế của bơm

Hình 4-42: Biểu diễn các đường đặc tính làm việc Q = f(H) ; n = f(H); Q = f(H)

ứng với số vòng quay n = const thường biểu diễn các thông số làm việc theo H vì khi lưu lượng Q không thay đổi thì việc điều chỉnh chế độ làm việc của các loại máy này thường

được thực hiện bằng cỏch thay đổi ỏp suất

làm việc

- Đường đặc tớnh xõm thực của bơm

(hỡnh 4-43) Cho ta biết khả năng làm

việc khụng bỡnh thường của bơm ứng với

số vũng quay khụng đổi và nhiệt độ làm

việc K1 và K2 là điểm giới hạn phạm vi

làm việc an toàn của bơm H= Hck(gh)

Nếu độ chõn khụng trong bơm vượt quỏ

cỏc trị số giới hạn thỡ bơm sẽ làm việc

trong tỡnh trạng xõm thực Hỡnh 4-42 đường đặc tớnh làm việc

Từ đường đặc tớnh xõm thực ta cú thể xỏc định chiều cao hỳt cho phộp của bơm theo cụng thức:

g

V H

2

2

2 (4-66) [Zh]: Chiều cao hỳt cho phộp của bơm

Hỡnh 4-43 Đ-ờng đặc tính xâm thực

4.5.5 Bơm rụto piston hướng kớnh

Nguyờn lý cấu tạo của mỏy bơm Piston Rụto hướng kớnh được chỉ trờn hỡnh 4-40 Bơm gồm cỏc Pirton số 1 đặt trong cỏc xy lanh của thõn quay số 2, ống trục dẫn chất lỏng

số 3, gạt điều chỉnh số 4 và vành dẫn số 5 lệch tõm một khoảng e với thõn 2 Thõn bơm hỡnh trụ được dẫn động quanh cỏc khớp nối Trong hành trỡnh quay, cỏc piston chuyển động tịnh tiến trong xy lanh với hành trỡnh 2e Lưu lượng của bơm được điều chỉnh nhờ thay đổi khoảng lệch tõm e

Việc quay vành dẫn qua điểm giữa của

trục sẽ làm cho hướng bơm thay đổi,

nghĩa là cỏc piston hiện đang đẩy ra

(hỡnh 4-44) chuyển sang hỳt với cỏc

piston đang hỳt chuyển sang đẩy Lưu

lượng lý thuyết của bơm:



= (4-67)

Ở đõy: dp là đường kớnh pirton, z

- số piston, e - khoảng lệch tõm, n - số

Mặt J- I - Trạng thái ngừng Piston

Cũng như ở bơm bánh răng và các bơm Piston thông thường khác, lượng chất lỏng đưa ra ống đẩy của bơm rôto piston hướng kính không được điều hòa vì máy piston có thời kỳ hút, thời kỳ đẩy

Mức độ không đồng đều được tính theo công thức sau:

2

25,1

Hình 4-45 Sơ đồ kết cấu của bơm Rôto piston hướng kính;

1- Tay điều chỉnh;2 - Khung;3- Chốt tựa;4- Thân roto; 5- Chốt điều chỉnh; 6- Gối tựa

Hiệu suất chung của bơm phụ thuộc vào áp suất cản (tải trọng) và lưu lượng điều chỉnh Hiệu suất của bơm  ≥ 0,8 khi có tải từ 1/3 đến 1/1 Hình 4-45 là kết cấu của một máy bơm rôto piston hướng kính Nó bao gồm tay gạt điều chỉnh số 1, khung vành bơm 2, chốt tựa 3 quay khi điều chỉnh, thân rô to 4 mang các xylanh, các vít điều chỉnh số 5 và

gối tựa số 6

4.5.6 Kết cấu chung và nguyên lý làm việc bơm rôto piston hướng trục

Trên hình 4-46 mô tả kết

cấu của một máy bơm rôto piston

hướng trục Các piston số 1 được

đặt trong các xylanh của thân

bơm, đầu piston đặt trong vành

nghiêng và tựa trên đĩa nghiêng số

3

Khi đĩa nghiêng số 3 quay cùng

trục thì sẽ làm cho piston chuyển

động trong xylanh, chất lỏng được

hút và đẩy qua các rãnh dẫn ở nắp

bơm số 5 Góc nghiêng  của đĩa

3 quyết định hành trình của piston

và quyết định lưu lượng của bơm

Hình 4-46 Sơ đồ cấu tạo của bơm Rô to

Piston hướng trục