Chương 3-TD thuy dong pdf

Công suất được truyền từ trục dẫn tới trục bị dẫn nhờ sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống cánh dẫn với chất lỏng làm việc Hình 3.1: Khớp nối thủy lực * Nguyên lý TĐTĐ: Khi động cơ làm

Chương 3 TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

3.1 Khái niệm về truyền động thuỷ động(TĐTĐ)

3.1.1 Sơ đồ kết cấu và nguyên lý TĐTĐ

TĐTĐ là một thiết bị tổng hợp, trong đó chủ yếu có hai máy thuỷ lực cánh dẫn: bơm li tâm và tua bin thuỷ lực Trong TĐTĐ, việc truyền cơ năng giữa các bộ phận máy chủ yếu được thực hiện bằng áp năng của dòng chất lỏng

a) Khớp nối thủy lực

Khớp nối thủy lực là kết cấu đơn giản nhất của truyền động thủy động, nó dùng để truyền mômen quay từ trục dẫn đến trục bị dẫn mà không thay đổi trị số mômen đó

* Sơ đồ kết cấu: gồm bánh bơm 1 lắp cố định trên trục dẫn 5 nối liền với động cơ, bánh tua bin 2 lắp trên trục bị dẫn, vỏ 3 của khớp nối lắp với bánh bơm và tạo thành buồng làm việc chứa chất lỏng Hai trục dẫn và bị dẫn tách rời nhau Công suất được truyền từ trục dẫn tới trục

bị dẫn nhờ sự trao đổi năng lượng giữa hệ thống cánh dẫn với chất lỏng làm việc

Hình 3.1: Khớp nối thủy lực

* Nguyên lý TĐTĐ: Khi động cơ làm việc, bánh bơm quay và truyền cơ năng cho chất lỏng Dưới tác dụng của lực ly tâm, chất lỏng chuyển động dọc theo các cánh dẫn từ tâm ra ngoài bánh bơm với vận tốc tăng dần Sau đó chất lỏng chuyển động sang bánh tua bin, khi qua các máng dẫn thì truyền cơ năng cho bánh tua bin và làm nó quay cùng chiều với bánh bơm Do đó mômen quay được truyền từ trục dẫn sang trục bị dẫn Chất lỏng sau khi ra khỏi bánh tua bin lại trở về bánh bơm và lặp lại quá trình chuyển động như trên một cách tuần hoàn giữa hai bánh công tác

Như vậy mỗi phần tử chất lỏng trong khớp nối thủy lực thực hiện đồng thời hai chuyển động: vừa quay vòng tuần hoàn theo phương từ bánh bơm 1 đến bánh tua bin 2, vừa quay quanh trục của khớp nối, chuyển động tổng hợp của phần tử chất lỏng theo vòng xoắn ốc

Hình 3.2 b) Biến tốc thủy lực: Khi cần biến đổi mômen quay giữa hai trục dẫn và bị dẫn thì người ta dùng biến tốc thủy lực

* Sơ đồ kết cấu: Khác với khớp nối thủy lực, ở biến tốc thủy lực, ngoài bánh bơm 2 lắp trên trục dẫn 1, bánh tua bin 4 lắp trên trục bị dẫn 3 còn có bộ phận dẫn hướng 3 (thường gọi là bánh phản ứng – stator) lắp cố định với vở 6 của biến tốc thủy lực Tất cả 3 bánh này đều có các cánh dẫn

và đặt trong vỏ có chứa chất lỏng tạo thành buồng làm việc của biến tốc thủy lực

Hình 3.3: Sơ đồ kết cấu biến tốc thủy lực

* Nguyên lý làm việc: tương tự như khớp nối thủy lực, chỉ khác ở chỗ biến tốc thủy lực có bánh phản ứng để tạo khả năng biến đổi mômen quay của trục dẫn Chất lỏng sau khi ra khỏi bơm với vận tốc lớn, đi vào bánh phản ứng Bánh phản ứng có tác dụng sau:

- Thay đổi hướng dòng chảy cho phù hợp với lối vào các máng dẫn của bánh công tác đặt tiếp sau nó (tránh va đập)

- Thay đổi trị số vận tốc của dòng chảy cho phù hợp với yêu cầu ở lối vào của bánh công tác đặt tiếp sau nó bằng cách thay đổi diện tích mặt cắt các máng dẫn một cách thích hợp

Sở dĩ gọi bánh phản ứng vì chất lỏng khi qua bánh này truyền cho nó mômen quay, nhưng do bánh cố định với vỏ cho nên có tác dụng lại cho chất lỏng mômen động lượng (gọi là mômen phản ứng)

Như vậy, dòng chất lỏng do bơm tạo nên sau khi lần lượt đi qua các máng dẫn của bánh phản ứng và bánh tua bin, kéo theo tua bin quay với vận tốc góc và mômen thay đổi tùy theo trị

số của mômen cản tác dụng lên trục bánh tua bin

3.1.2 Các thông số và phương trình cơ bản của TĐTĐ

a) Các thông số cơ bản

Ngoài các thông số cơ bản chung của máy thuỷ lực, trong truyền động thuỷ động còn có một số thông số thường dùng sau:

- Công suất làm việc trên trục dẫn (tức trục bánh bơm):

P B

B

N







Trong đó:

Q: lưu lượng chất lỏng chảy từ bánh bơm vào bánh tuabin;

HB: cột áp do bánh bơm tạo ra;

B: hiệu suất của bánh bơm;

P: hiệu suất của bánh phản ứng (chỉ có trong BTTL);

: trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

- Công suất làm việc trên trục bị dẫn (tức trục bánh tuabin):

T B

Trong đó:

T: hiệu suất của bánh tuabin

Biến đổi ta có:

B T P B

Nếu gọi  B.P.T là hiệu suất toàn phần của truyền động thuỷ động thì ta có:

B

T N

N



Trong mỗi loại bánh công tác ta vẫn có  = H.C.Q

- Tỷ số truyền i của truyền động thuỷ động: là tỷ số giữa số vòng quay bánh tuabin (trục bị dẫn) với số vòng quay bánh bơm (trục dẫn)

B

T n

n

- Hệ số biến tốc K (hệ số biến đổi mômen) của biến tốc thuỷ lực là tỷ số giữa mômen quay tác dụng lên trục bánh tuabin với mômen tác dụng lên trục bánh bơm

T M

M

Do

30

.

M

N     , nên

i n

n N

N M

M K

T

B B

T B





b) Các phương trình cơ bản của truyền động thuỷ động

Ứng dụng các phương trình cơ bản của máy thuỷ lực cánh dẫn để nghiên cứu chuyển động của chất lỏng trong truyền động thuỷ động, ta có các phương trình sau:

- Phương trình mômen: Từ (2-9) ta có thể viết:

+ Đối với bánh bơm: .  2 . 2 1 . 1

2

1

D c D c Q

+ Đối với bánh tuabin .  4 . 4 3 . 3

2

1

D c D c Q

Đối với bánh phản ứng: .  6 . 6 5 . 5

2

1

D c D c Q

Trong các công thức trên:

Q: lưu lượng của chất lỏng làm việc trong TĐTĐ

c1u, , c6u: hình chiếu của các vận tốc tuyệt đối trên phương của vận tốc vòng tại các mặt cắt tương ứng của các bánh dẫn

D1, , D6: đường kính tại điểm giữa các mặt cắt tương ứng của các bánh dẫn

Hình 3.4 Cộng đại số phương trình mômen quay các bánh ta có:

.  2 . 2 1 . 1 4 . 4 3 . 3 6 . 6 5 . 5

2

1

D c D c D c D c D c D c Q M

M

Trong TĐTĐ, muốn có hiệu suất cao, các bánh bố trí rất sát nhau nên dòng chảy tuần hoàn khép kín giữa chúng Do đó, ta có thể coi như trong khe hở giữa các bánh của TĐTĐ không có sự thay đổi mômen động lượng, khi đó phương trình chuyển động của chất lỏng trong đó có dạng:

(3-11)

cu.D = const Vậy ta có thể viết: c1u.D1 = c6u.D6; c2u.D2 = c3u.D3; c4u.D4 = c5u.D5

Thay vào (7-11) ta có phương trình mômen ở mọi chế độ làm việc của TĐTĐ:

nghĩa là tổng mômen quay của các bánh trong TĐTĐ bằng 0

- Phương trình công suất và cột áp

Ở chế độ làm việc ổn định, bánh bơm của TĐTĐ liên tục cung cấp cho dòng chất lỏng làm việc công suất NB Phần lớn công suất này truyền cho trục bị dẫn qua bánh tua bin, gọi là NT Phần công suất còn lại NW = NB – NT dùng để khắc phục sức cản do sự chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc của TĐTĐ

Khi bánh phản ứng cố định, phương trình cân bằng công suất là:

Nếu bỏ qua tổn thất lưu lượng do rò rỉ qua khe hở giữa các bánh và thay trị số của công suất vào (3-13) được:

.Q.HB = .Q.HT + .Q.hW Đơn giản phương trình trên ta được phương trình cân bằng cột áp:

hW = hB + hT +hP , là tổng tổn thất thủy lực trong các bánh bơm, tua bin, và bánh phản ứng

3.2 Khớp nối thuỷ lực (KNTL)

3.2.1 Đặc điểm quá trình làm việc của KNTL

Khớp nối thủy lực chỉ truyền mômen quay của động cơ mà không biến đổi trị số mômen đó

Theo (3-12), đối với khớp nối thủy lực ta có:

Khi có sự thay đổi tải trọng (mômen cản) trên trục trục bị dẫn thì số vòng quay của bánh tua bin sẽ thay đổi theo, dẫn đến làm thay đổi vận tốc chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc và sự thay đổi mômen quay của bánh công tác tua bin sao cho cân bằng với trị số mômen cản của phụ tải Vì vậy khớp nối thủy lực là loại truyền động tự động

Do có tổn thất thủy lực nên  1

B

T

n

n

i , tức nT < nB Hiệu số giữa số vòng quay của các

bánh bơm và bánh tua bin của khớp nối thủy lực chia cho số vòng quay của bánh bơm được gọi

là hệ số trượt của khớp nối thủy lực, ký hiệu là s:

i n

n n

n n s

B

T B

T

Hiệu suất của khớp nối thủy lực sẽ là:

B

T B

T B

T

n

n M

M N

N







Theo (3-15) có M B M T nên

i n

n

B



Ta nhận thấy, khi s = 0   = i tức nB = nT thì áp suất do tác dụng của lực li tâm ở lối ra của bánh bơm và lối vào của bánh tua bin là như nhau Khi đó, chất lỏng không có chuyển động tương đối từ bánh bơm sang bánh tua bin mà nó chỉ quay cùng với vỏ khớp nối thủy lực như là một vật rắn, lúc này Q = 0 và do đó mômen quay của khớp nối thủy lực M = 0

Bởi vậy khớp nối thủy lực chỉ có thể truyền công suất và mômen khi nT< nB hoặc khi

s > 0

Ở chế độ làm việc bình thường, khớp nối thủy lực có hệ số trượt s = 3 – 2% cho nên  = 1 – s = 97 – 98%

* Các tính chất chủ yếu của khớp nối thủy lực:

- Trục bị dẫn và trục dẫn quay độc lập với nhau, khi trục dẫn quay thì trục bị dẫn có thể dứng yên hoặc quay với với vận tốc góc nào đấy nhưng vận tốc quay lớn nhất của trục bị dẫn phải nhỏ hơn vận tốc trục dẫn 2 – 3%

- Khởi động và tăng tốc êm

- Các chi tiết chủ yếu (bánh công tác) không bị mài mòn vì các bề mặt làm việc của chúng không tiếp xúc với nhau

- Hạn chế dao động xoắn

- Truyền động không ồn

- Có hiệu suất cao ở chế độ làm việc tính toán

- Sử dụng, vận hành chắc chắn

- Có thể thực hiện được việc điều khiển từ xa và tự động hóa việc điều khiển một cách đơn giản Chính vì những ưu điểm trên mà khớp nối thủy lực dùng để:

+ Điều chỉnh số vòng quay của trục bị dẫn khi số vòng quay của động cơ không đổi

+ Lấy đà các máy có mômen khởi động lớn

+ Hợp công suất và đảo chiều chuyển động

3.2.2 Phân loại và kết cấu KNTL

Vấn đề phân loại và kết cấu cụ thể của khớp nối thủy lực khá phức tạp vì có rất nhiều loại, kiểu khớp nối khác nhau

a) Phân loại khớp nối thủy lực

* Theo kết cấu:

- Khớp nối thủy lực có vành trong

- Khớp nối thủy lực không có vành trong

- Khớp nối thủy lực chỉ có một bánh công tác có vành trong

Các loại này có tác dụng làm cho dòng chất lỏng trong buồng làm việc hình thành tốt nhất, ít bị tổn thất năng lượng

- Khớp nối thủy lực kép: gồm hai khớp nối ghep song song được dùng khi cần giảm bớt kích thước đường kính do thiếu chỗ bố trí, mặt khác nó tốt hơn loại đơn do không chịu tác dụng của lực hướng trục, các lực này tác dụng lên khớp nối hai bên cân bằng nhau

Ngoài ra theo kết cấu biên dạng cánh dẫn trên các bánh công tác thì có loại cánh phẳng hướng kính và loại cánh cong Loại cánh cong tuy có kết cấu phức tạp hơn nhưng truyền được công suất lớn hơn so với loại cánh phẳng khi hai khớp nối cùng kích thước và cùng hiệu suất

Hình 3.5

* Theo tính chất có điều chỉnh hay không khớp nối thủy lực chia thành loại có điều chỉnh và loại không điều chỉnh

- Loại không điều chỉnh: là loại khi mà vận tốc quay của trục dẫn không đổi (nB = const) thì số vòng quay của trục bị dẫn (nT) chỉ phụ thuộc vào mômen tải trọng đặt trên trục bị dẫn

Để khắc phục sự tăng đột ngột của mômen khi hệ số trượt s tăng thì ngoài việc dùng đĩa chắn 1, trong kết cấu của khớp nối thủy lực còn dùng buồng phụ 2 (hình ) Tùy theo mômen cản trên trục bị dẫn, lượng chất lỏng chứa trong buồng làm việc sẽ tự động thay đổi nhờ có buồng phụ thông với nó Khi hệ số trượt tăng thì lượng chất lỏng trong buồng làm việc giảm làm cho mômen truyền không tăng đột ngột

- Khớp nối thủy lực có điều chỉnh: số vòng quay của trục bị dẫn không những phụ thuộc vào mômen tải trọng đặt trên trục bị dẫn mà còn phụ thuộc vào vị trí cơ cấu điều chỉnh Cơ cấu này dùng để thay đổi lượng chất lỏng làm việc trong khớp nối và nó được điều khiển bằng tay hoặc

tự động

Hình 3.6

* Theo trị số công suất truyền:

- Loại truyền có công suất nhỏ và trung bình (tới 1000 KW)

- Loại truyền công suất lớn (trên 1000 KW)

b) Kết cấu khớp nối thủy lực

Hình 3.7 trình bày kết cấu cụ thể của một khớp nối thủy lực có ống điều chỉnh cố định Trên trục dẫn I có lắp bánh bơm 1, bánh này gắn liền với hai vỏ 3 và 4 Ở ngoài cùng của vỏ trong 3 có một số lỗ 11 Vỏ ngoài 4 có lắp bộ phận lót kín 9 Trên trục bị dẫn II, lắp bánh tua bin

2 Bánh này có lỗ 12 trên thân để dẫn chất lỏng vào buồng làm việc của khớp nối thủy lực hoặc

ra ngoài Ống điều chỉnh 10 lắp giữa vỏ 3 và 4 và lắp cố định với buồng 5; buồng 5 thông với thùng chứa 7 Bơm bánh răng 8 có thể làm việc đảo chiều để đẩy chất lỏng vào hệ thống hoặc hút ra Chất lỏng được làm nguội bằng bộ phận làm mát 6

Hình 3 7 Khi khớp nối thủy lực làm việc, bánh bơm 1 quay cùng các vỏ 3 và 4 Chất lỏng làm việc chảy tuần hoàn theo chiều mũi tên Do tác dụng của chất lỏng làm việc, bánh tua bin quay, ở

ngoài cùng của bánh có áp suất lớn nhất Với áp suất đó, chất lỏng từ buồng làm việc chảy qua các lỗ 11 vào buồng giữa hai vỏ 3 và 4

Khi chất lỏng chảy qua ống điều chỉnh và đường ống, có thể xảy ra 3 trường hợp sau: 1) Lượng chất lỏng trong buồng làm việc không thay đổi Trong trường hợp này, bơm bánh răng

8 không làm việc, chất lỏng chảy tuần hoàn từ buồng làm việc qua ống điều chỉnh 10 vào hệ thống đường ống và được làm nguội ở 6

2) Lượng chất lỏng trong buồng làm việc giảm, do bơm 8 quay theo chiều sao cho có thể hút chất lỏng ra khỏi buồng đó để trở về thùng chứa 7

3) Lượng chất lỏng trong buồng làm việc tăng Bơm sẽ quay theo chiều ngược với trường hợp trên, đẩy chất lỏng từ thùng chứa 7 qua hệ thống đường ống vào buồng làm việc

Khi lượng chất lỏng trong buồng làm việc đã đủ mức cần thiết thì bơm chỉ dùng để bổ sung lượng chất lỏng rò rỉ và ống điều chỉnh 10 bảo đảm đưa chất lỏng ra để làm nguội

3.2.3 Tính toán một số thông số của KNTL

a) Tính mômen:

Xuất phát từ luật tương tự trong máy thủy lực cánh dẫn, qua công thức (2-28), ta có thể tính mômen quay truyền bởi khớp nối thủy lực:

MB = - MT = Mtl..D5.nB2 (3-18)

Mtl là hệ số mômen thủy lực, phụ thuộc vào các kích thước tương đối của khớp nối thủy lực và

tỷ số truyền i (hoặc hệ số trượt s)

Đường kính D cần chọn thế nào để khi truyền mômen quay M theo số vòng quay n tương ứng với công suất cực đại của động cơ thì hệ số trượt s vào khoảng 2–3%

b) Tính công suất: Từ (2-26) ta có thể xác định công suất lớn nhất truyền qua khớp nối thủy lực:

Ntl là hệ số công suất thủy lực của khớp nối thủy lực

30

M

N  B  Mtl D n B

nên ta có thể suy ra:

Mtl Ntl  

30

Nếu N tính bằng KW, M tính bằng N.m thì

Mtl

000 30

Từ (3-19):

5 3

max 











B Ntl n

N D





Trong các thông số hình học ảnh hưởng đến sự làm việc đến sự làm việc của khớp nối thủy lực thì số cánh Z là rất quan trọng Số cánh ZB của bơm được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

- Đối với bánh công tác có vành trong: ZB = 1,39D0,52

- Đối với bánh công tác không có vành trong: ZB = 8,65D0,279

Đối với bánh tua bin thì số cánh dẫn ZT thường lớn hơn hoặc nhỏ hơn số cánh của bánh bơm một vài cánh để đề phòng hiện tượng va đập có chu kỳ gây rung động trong hệ thống

3.3 Biến tốc thuỷ lực(BTTL)

3.3.1 Đặc điểm quá trình làm việc của BTTL

Khác với khớp nối thủy lực, biến tốc thủy lực truyền cơ năng giữa các trục cùng đường tâm có kèm theo sự biến đổi mômen quay Thông thường biến tốc thủy lực dùng để tăng mômen quay trên trục bị dẫn Ngoài ra nó cũng có tính chất tự động thay đổi vô cấp vận tốc trục bị dẫn như khớp nối thủy lực

* Tính chất của biến tốc thủy lực

1) Tính chất biến đổi mômen quay: Nghiên cứu biến tốc thủy lực đơn giản nhất gồm ba bánh: bánh bơm, bánh tua bin và bánh phản ứng Có hai cách bố trí các bánh trong buồn làm việc của biến tốc thủy lực: bánh phản ứng đặt sau bánh bơm và trước bánh tua bin theo chiều chuyển động của chất lỏng hoặc ngược lại

- Trường hợp bánh phản ứng đặt sau bánh bơm và đặt trước bánh tua bin:

Chất lỏng vào bánh bơm với vận tốc tương đối w’ Khi bánh bơm quay, chất lỏng dưới tác dụng của lực li tâm đi ra ngoài cùng bánh bơm với vận tốc tăng dần Dòng chất lỏng với vận tốc cB vào bánh phản ứng Do bánh này được giữ cố định nên dòng chất lỏng không trao đổi năng lượng với nó, nghĩa là ở trong bánh đó chỉ có sự biến đổi áp năng thành động năng Khi qua bánh phản ứng, nhờ có sự thu hẹp mặt cắt của máng dẫn nên vận tốc dòng chất lỏng tăng lên Mặt khác, nhờ có biên dạng cánh dẫn thích hợp mà hướng chuyển động của dòng chất lỏng thay đổi phù hợp với lối vào bánh tua bin Dòng chất lỏng sau khi ra khỏi bánh phản ứng với vận tốc cP sẽ vào bánh tua bin với góc 2 Do cP > cB và 2 > 1 nên mômen quay của trục bánh tua bin lớn hơn so với trục bánh bơm Nếu không có bánh phản ứng thì dòng chất lỏng đi vào bánh tua bin với góc 1 (<2) và với vận tốc cB khi ra khỏi bánh bơm Lúc đó mômen quay trên bánh tua bin sẽ bằng mômen quay trên trục bơm và đó là trường hợp làm việc của khớp nối thủy lực

- Trường hợp bánh phản ứng đặt sau bánh tua bin và trước bánh bơm (hình 3.8)

Trong trường hợp này, động năng của dòng chất lỏng khi ra khỏi bánh bơm và vào bánh tua bin không thay đổi Do đó M B M T