Truyền động thủy lự khí nén

Khi xem xét toàn bộ khái niệm thuỷ lực học, ngược lại với các bộ biến đổi, các khớp ly hợp, khớp nối thuỷ động lực học … mà ở đó động năng của chất lỏng có gia tốc được sử dụng để truyền

Chương I: Truyền động thuỷ lực 1.1 Thuỷ lực học

1.1.1 Khái niệm

Thuỷ lực học (hydraulics, theo tiếng Hy lạp thì “hydro” có nghĩa là nước), theo quan điểm khoa học là một môn khoa học nghiên cứu về chất lỏng khi ở trạng thái tĩnh và trạng thái chuyển động tương ứng với các tên gọi thuỷ tĩnh học và thuỷ động lực học Khi áp dụng cho các ngành cơ khí, các máy móc tự động, công nghiệp ôtô và công nghiệp máy bay thì các ứng dụng thực tiễn của thuỷ lực là sự truyền năng lượng và kỹ thuật điều chỉnh theo các chu trình kín và hở

Khi xem xét toàn bộ khái niệm thuỷ lực học, ngược lại với các bộ biến đổi, các khớp ly hợp, khớp nối thuỷ động lực học … mà ở đó động năng của chất lỏng

có gia tốc được sử dụng để truyền năng lượng, thì phần còn lại đề cập đến hệ thống thuỷ tĩnh Tất cả các định luật thuỷ động lực học ở đây đều được áp dụng tương đương nhau, cũng như sự liên hệ đến chuyển động, sức cản của dòng chảy và ảnh hưởng của sự thay đổi tiết diện thu hẹp lên áp suất

1.1.2 Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng

1.1.2.1 Tính liên tục

Tính liên tục: Chất lỏng được coi là một môi trường liên tục đồng chất đẳng

hướng Có các yếu tố như vận tốc, áp suất, nhiệt độ là các hàm liên tục và đạo hàm cũng liên tục

Tính dễ di động: Do lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng rất yếu, ứng suất tiếp

(nội ma sát) trong chất lỏng chỉ khac 0 khi có chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng

Tính chống kéo và cắt: Rất kém do lực liên kết và lực ma sát giữa các phân tử

chất lỏng rất yếu

Tính dính ướt: Dính ướt theo thành bình chứa chất lỏng

1.1.2.2 Chất lỏng có khối lượng và trọng lượng

Khối lượng riêng: Là khối lượng của một đơn vị thể tích chất lỏng kí hiệu là ρ:

ρ = M

V (kg/ m3) Trong đó: M- khối lượng chất lỏng (kg);

Tính nén ép: Biểu thị bằng hệ số nén ép βp Hệ số nén ép là số giảm thể tích tương

đối của chất lỏng khi áp suất tăng lên một đơn vị:

βp = 1.dV

V dp

Trong đó: V- Thể tích ban đầu của chất lỏng (m3);

dV- Số giảm thể tích khi áp suất tăng lên (m3);

dp- Lượng áp suất tăng lên (N/m2)

Tính giãn nở vì nhiệt: Biểu thị bằng hệ số giãn nở vì nhiệt βt Hệ số nén ép là số

thể tích tương đối của chất lỏng t¨ng lªn khi nhiệt độ tăng lên 1 độ:

βp =

dt

dV V

1

(1/độ)

Trong đó: V- Thể tích ban đầu của chất lỏng (m3);

dV- Số giảm thể tích khi áp suất tăng lên (m3);

dt- Lượng nhiệt độ tăng lên (độ)

1.1.2.4 Tính nhớt của chất lỏng

a) Giả thiết của Niutơn

Trong quá trình chuyển động, các lớp chất lỏng trượt lên nhau, phát sinh lực

ma sát trong,gây ra tổn thất năng lượng và chất lỏng như thế gọi là chất lỏng có tính nhớt

Năm 1867 I.S.Newton dựa trên thí nghiệm: Có hai tấm phẳng A và B nằm song song và cách nhau một khoảng cách khá nhỏ là h, giữa hai tấm có chất lỏng Tấm B cố định, cho tấm A trượt từ trái qua phải dưới tác động của ngoại lực F Sau một khoảng thời gian, tấm phẳng A diện tích S sẽ chuyển động đều với vận tốc tương đối v Điều này chứng tỏ tấm phẳng A bị lực ma sát cản trở

Từ đây Newton đưa ra giả thiết về lực ma sát trong giữa những lớp chất lỏng lân cận chuyển động là tỷ lệ thuận với tốc độ và diện tích bề mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào loại chất lỏng và không phụ thuộc vào áp suất Lực ma sát trong sinh ra ứng suất tiếp

b) Ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt

Độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng

c) Ảnh hưởng của áp suất tới độ nhớt

Độ nhớt tăng khi áp suất tăng

d) Đo độ nhớt

Để đo độ nhớt người ta dụng các dụng cụ đo khác nhau Các đơn vị đo thường dùng là:Độ Engơle (oE), Stốc (St), giây Scbon (S), giây Redút (R), độ Bache (oB)

1.2.Truyền động thủy lực

1.2.1 Khái niệm chung

* Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện nhiệm vụ

do yêu cầu đặt ra

- Tín hiệu đầu vào : Nút ấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến

- Phần xử lý thông tin: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một qui tắc nhất định làm

thay đổi trạng thái của các phần tử điều khiển: Van logic and, or, Not, Yes, Flop, Rơle

Flip Phần tử điều khiển: Điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu ( Lưu lượng, áp

suất), thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: Van chỉnh áp, van đảo chiều, van

ly hợp…

- Cơ cấu chấp hành: Làm thay đổi trạng thỏi của đối tượng điều khiển, là đại

lượng ra của mạch điều khiển: Xilanh khớ-dầu, động cơ khớ- dầu

- Năng lượng điều khiển:

+ Phần thụng tin: Điện tử, điện cơ, khớ, dầu, quang học, sinh học

+ Phần cụng suất: Điện, khớ nộn, thủy lực

1.2.2 Ưu nh-ợc điểm của truyền động thủy lực

a) Ưu điểm của truyền động thuỷ lực

- Có khả năng truyền đ-ợc lực lớn và đi xa, trọng l-ợng và kích th-ớc bộ truyền

nhỏ hơn so với các bộ truyền động khác (TĐ cơ khí, TĐ điện vì bỏ bớt đ-ợc một số khâu trung gian nh- trục truyền, hộp giảm tốc, khớp nối, dây cáp ) Độ tin cậy cao

- Có khả năng tạo ra những tỷ số truyền lớn (đến 2000 hoặc cao hơn nữa trong

truyền động thuỷ tĩnh)

- Quán tính của truyền động nhỏ, cho phép mở máy và đảo chiều chuyển động

nhanh, thời gian một chu kỳ làm việc giảm đi vì vậy nâng cao đ-ợc năng suất của máy, tính chất động lực tốt, tăng độ bền lâu của máy

- Truyền động êm, không gây ồn

- Điều khiển nhẹ nhàng, tiện lợi, không phụ thuộc vào công suất truyền động,

có khả năng tự động hoá quá trình điều khiển

- Cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ của bộ công tác, cho khả năng nâng cao

hiệu suất sử dụng động cơ dẫn động

- Có khả năng tự bôi trơn bộ truyền vì sử dụng luôn chất lỏng công tác làm chất

bôi trơn, nâng cao đ-ợc tuổi thọ của máy

- Có khả năng tự bảo vệ máy khi quá tải (nhờ đặt các van an toàn)

- Có khả năng bố trí các cụm máy của hệ thống truyền động thuỷ lực theo ý

muốn, tạo hình dáng tổng thể đẹp, có độ thẩm mỹ cao (bơm th-ờng đặt ở động cơ dẫn động, các động cơ thuỷ lực đặt trực tiếp ở các bộ phận công tác, các thành phần

điều khiển đặt ở ca bin điều khiển)

- Dễ dàng chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ng-ợc

lại (bơm - động cơ thuỷ lực và bơm - xi lanh thuỷ lực)

- Sử dụng các bộ máy đã đ-ợc tiêu chuẩn hoá, thống nhất hoá, tiện lợi cho việc

sửa chữa, thay thế, giảm thời gian và giá thành sửa chữa (các cụm máy đã đ-ợc tiêu chuẩn hoá: bơm, động cơ thuỷ lực, xi lanh thuỷ lực, van thuỷ lực, van phân phối, bầu lọc )

b) Nh-ợc điểm của hệ thống truyền động thuỷ lực

- Khó làm kín khít các bộ phận làm việc nhất là khi áp suất lớn, chất lỏng công

tác dễ bị rò rỉ hoặc dễ bị lọt khí làm giảm hiệu suất và tính chất làm việc ổn định của hệ thống truyền động

- Đòi hỏi chế tạo với độ chính xác cao (chế tạo bơm, động cơ, xi lanh, bộ điều

khiển )

- Bẩn do chảy dầu và bụi bám vào

1.2.3 Phân loại truyền động thủy lực

Truyền động thuỷ lực bao gồm hai kiểu:

1- Truyền động thuỷ tĩnh (truyền động thuỷ lực thể tích)

1- Bơm thuỷ lực; 2- Đ-ờng ống dầu cao áp; 3- Bộ công tác (động cơ) ;

4- Van an toàn; 5- Van điều chỉnh; 6- Đ-ờng ống dầu thấp áp

động cơ thuỷ lực (3) làm cho nó quay, biến thuỷ năng của dầu thành cơ năng trên trục động cơ

Hình 1.2: Bộ công tác có chuyển động tịnh tiến

1- Bơm thuỷ lực; 2- Bộ điều khiển (van phân phối); 3- Xi lanh thuỷ lực (bộ công

tác); 4- Van bảo hiểm (van an toàn); 5- Thùng dầu; 6- Bầu lọc

Nguyên lý làm việc:

Bơm (1) nhận công suất từ động cơ sơ cấp, cấp dầu cao áp qua van phân phối (2) đến xi lanh thuỷ lực (3) làm xi lanh dịch chuyển, tạo ra chuyển động tịnh tiến của bộ công tác

Sơ đồ nguyên tắc truyền động thuỷ động

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên tắc truyền động thuỷ động

1- Bơm ly tâm; 2, 5, 7, 9- Đ-ờng ống dẫn dầu; 3- Cơ cấu dẫn h-ớng;

4- Tuốc bin; 6, 8- Thùng dầu (thùng chứa chất lỏng) Nguyên lý làm việc:

Bơm ly tâm nhận công suất từ động cơ ban đầu, đẩy dầu qua đ-ờng ống (2) cơ cấu dẫn h-ớng (3) h-ớng dầu vào tuốc bin (4) Nhờ hạ áp lực ở đầu dòng chảy, dầu có vận tốc cao đập vào cánh tuốc bin do đó tuốc bin có mô men quay Truyền

động thuỷ động có đặc tuyến mềm, khi ngoại lực tăng số vòng quay giảm xuống tia dầu tăng áp lực đập vào cánh tuốc bin và làm cho mô men quay của nó lại tăng lên

Trên Máy xây dựng - Xếp dỡ truyền động thuỷ tĩnh chiếm đa số nó giải quyết triệt để khâu truyền động từ động cơ đến bộ công tác trong khi truyền động thuỷ động chỉ thay thế một khâu nào đấy (ly hợp, hộp số ) của truyền động cơ học vì vậy truyền động thuỷ tĩnh đ-ợc đánh giá cao hơn

Hệ thống truyền động thuỷ tĩnh trên các Máy xay dựng và xếp dỡ có cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào từng loại máy cụ thể (th-ờng ng-ời ta có thể biết đ-ợc qua các tài liệu kỹ thuật - sơ đồ hệ thống truyền động thuỷ lực) Tuy nhiên sơ đồ

nguyên lý hay còn gọi là cấu trúc cơ bản của chúng bao gồm:

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thuỷ tĩnh

+ Máy lai: Cung cấp cơ năng để bơm thuỷ lực làm việc Nó th-ờng là động cơ

điện hoặc bộ phận trích công suất từ động cơ đốt trong

+ Bơm thuỷ lực: tạo ra dòng dầu thuỷ lực có áp suất và l-u l-ợng theo yêu cầu + Van phân phối: Có chức năng phân chia dầu cao áp từ bơm đến các bộ máy

khác nhau và đ-a dầu thấp áp về thùng chứa

Thùng dầu thuỷ lực

Động cơ hoặc xi lanh TL

Hệ thốngvan thuỷ lực

+ Động cơ hoặc xi lanh thuỷ lực: Nhận thuỷ năng của dòng dầu cao áp biến

thành cơ năng cung cấp cho bộ công tác d-ới dạng chuyển động quay hoặc chuyển

* Cấu trúc trên phù hợp với hệ thống truyền động thuỷ lực kiểu mạch hở (là loại

phổ biến nhất) Trong kiểu truyền động thuỷ lực kiểu mạch kín th-ờng không dùng van phân phối mà đ-ờng dầu nối trực tiếp từ bơm đến động cơ

- Cấu tạo mạch thuỷ lực

Hệ thống truyền động thuỷ lực thuỷ tĩnh trên Máy xây dựng và xếp dỡ bao gồm hai kiểu:

+ Truyền động thuỷ lực kiểu mạch kín

+ Truyền độngt huỷ lực kiểu mạch hở

Trong đó kiểu mạch hở đ-ợc dùng phổ biến nhất

* Kiểu mạch hở

Hình 1.5- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực thuỷ tĩnh kiểu mạch hở (có chuyển động

tịnh tiến) 1- Bơm thuỷ lực điều chỉnh; 2- Van phân phối; 3- Van an toàn; 4-

Xilanh thuỷ lực; 5- Bộ lọc dầu; 6- Thùng dầu

Hình 1.6- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực thuỷ tĩnh kiểu mạch hở (có chuyển động

Nguyên lý làm việc

- Bơm bù 4 bổ sung dầu cho hệ thống

- Van (8) điều khiển van (6) đóng (ngắt) đ-ờng dầu từ bơm đến xi lanh thuỷ lực

* Nh- vậy trong kiểu mạch hở, dầu thấp áp từ động cơ không về ngay bơm mà

trở về thùng chứa vì vậy nó đ-ợc làm nguội ở thùng tr-ớc khi đ-a vào làm việc Việc bổ sung dầu đơn giản vì chỉ cần rót dầu vào thùng mà không cần thiết bị gì

- Trong hệ thống kín th-ờng bố trí thêm một bơm bù (bơm phụ, bơm dầu hỗ trợ)

- đây th-ờng là bơm bánh răng công suất nhỏ để bổ sung thêm l-ợng dầu rò rỉ hoặc l-ợng dầu đã chảy qua van an toàn về thùng vì vậy nó làm việc với chất l-ợng cao

và cung cấp đ-ợc công suất lớn (vì không những bổ sung đ-ợc dầu mà còn tăng

đ-ợc áp suất trong khoang hút của bơm thuỷ lực)

- Mặt khác khi sử dụng mạch kín còn cho phép đảo chiều chuyển động của bộ công tác một cách dễ dàng khi phụ tải lớn

Nh-ợc điểm

- Nhiệt độ của chất lỏng công tác khá cao vì sau khi ra khỏi động cơ (hoặc xi lanh thuỷ lực) nó lại phải về ngay bơm nên không kịp nguội Do đó khả năng rò rỉ của hệ thống cao hơn và chất l-ợng của chất lỏng công tác giảm hơn so với hệ thống hở

- Bơm Piston rôto h-ớng trục

- Động cơ Piston rôto h-ớng trục

- Bơm cánh gạt

- Động cơ cánh gạt

2.1.1 Bơm và động cơ bánh răng

2.1.1.1 Bơm bánh răng

a.Công dụng và phân loại

* Công dụng: Để cung cấp năng lượng cho hệ thống điều khiển thường sử dụng bơm dầu Bơm dầu là hệ thống quan trọng nhất của hệ thống điều khiển thủy lực, biến cơ năng thành năng lượng dầu

* Phân loại:

Bơm bánh răng có hai loại:

+ Bơm bánh răng ăn khớp trong

+ Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

b)Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Bơm bánh răng có tối thiểu hai bánh răng trở lên trong đó loại bơm có 2 bánh răng bằng nhau là đơn giản nhất và đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất

Nguyên lý làm việc:

Bánh răng chủ động (1) đ-ợc nối với trục dẫn động bơm, ăn khớp với bánh răng bị động (2) Khi bơm làm việc, bánh răng (1) quay kéo theo bánh răng (2) quay (theo chiều mũi tên) Chất lỏng ở trong các rãnh răng (a) theo chiều quay của các bánh răng đ-ợc vận chuyển từ khoang hút A đến khoang đẩy B vòng theo vỏ bơm (theo chiều quay của bánh răng)

Các khoang A và B đ-ợc ngăn cách với nhau bằng các mặt tiếp xúc của răng

ăn khớp và đ-ợc xem là kín Khi các răng vào khớp, thể tích của khoang đẩy B giảm xuống, chất lỏng đang đ-ợc đ-a vào khoang đẩy B bị chèn ép và dồn vào ống đẩy (5) với áp suất cao, đây là quá trình đẩy của bơm

Đồng thời với quá trình đẩy xảy ra quá trình hút lúc đó tại khoang hút A có các răng ra khớp làm thể tích ở khong này tăng lên áp suất ở khoang hút nhỏ hơn áp suất trên mặt thoáng của bể hút (bể chứa dầu) và chất lỏng đ-ợc hút từ

bể chứa qua đ-ờng ống hút vào bơm Để hạn chế p tối đa của bơm ng-ời ta bố trí van an toàn (6) Van này mở ra để dầu thoát về bể khi ống đẩy tắc hoặc áp suất v-ợt quá p quy định

- Để tránh sự trùng pha của dao

động l-u l-ợng, ng-ời ta làm số răng của bánh chủ động nhiều hơn

số răng của bánh bị động từ 1 đến

3 răng

Hình 2.3 Bơm ba bánh răng ăn khớp ngoài

- Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (bánh răng chủ động ở giữa)

- Khoang hút A, khoang đẩy B bố trí chéo nhau

- QBơm 3BR = 2QBơm 2BR Nó dùng khi cần kích th-ớc nhỏ gọn mà yêu cầu l-u l-ợng lớn

- Nếu yêu cầu áp suất cao, ng-ời ta dùng bơm nhiều cấp theo nguyên lý các bơm mắc nối tiếp

Để đề phòng tr-ờng hợp thừa l-u l-ợng giữa các cấp ng-ời ta bố trí giữa các cấp đó các van an toàn

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý của bơm bánh răng ăn khớp trong

Các thông số:

L-u l-ợng: Q = 400  500 lít/phút có thể đến 960 lít/phút

Tốc độ bơm: n = 1500  2000 vòng/phút

áp lực dầu công tác: p = 100  160 KG/cm2 (10-16 MPa), pmax=210 KG/cm2

Hiệu suất l-u l-ợng: Q = 0,8 - 0,9

c) Ưu, nh-ợc điểm và phạm vi sử dụng

* Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Làm việc chắc chắn, độ tin cậy cao

- Kích th-ớc nhỏ gọn có khả năng chịu quá tải trong một thời gian ngắn

Dùng làm bơm dầu bôi trơn trong động cơ đốt trong

2.1.1.2 Động cơ bánh răng:

Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Có kết cấu nh- bơm bánh răng nh-ng đòi hỏi phải chế tạo chính xác hơn, phức tạp hơn nên đắt hơn Trong nhiều tr-ờng hợp bơm và động cơ là một ta gọi

là máy thuỷ lực thuận nghịch Nh-ợc điểm của động cơ bánh răng là C thấp

hơn so với loại động cơ Piston nên p khởi động yêu cầu lớn hơn

L-u l-ợng riêng của bơm và động cơ bánh răng

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán l-u l-ợng riêng

q = 2m2 (2z + x)b

2r o

2.1.2 Bơm - động cơ thuỷ lực Piston rôto h-ớng kính (h-ớng tâm)

a) Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Bơm - Động cơ thuỷ lực Piston rôto

h-ớng kính

1 - Rôto; 2 - Stato; 3 - Piston trụ; 4 - Vách ngăn; 5 - Xi lanh; a - Lỗ hút (lỗ cấp dầu); b - Lỗ đẩy (lỗ thoát dầu); A - Họng hút; B - Họng đẩy, (A,B - Hình bán nguyệt)

- Vì khi máy làm việc áp suất phía miệng đẩy bao giờ cũng cao hơn áp suất phía miệng hút nên sinh ra một lực lệch tác dụng lên trục Để hạn chế hiện t-ợng này ng-ời ta th-ờng làm các rãnh thông từ phía có áp suất cao sang phía

có áp suất thấp

- Rôto (1) đặt lệch tâm trong Stato (2) một khoảng lệch tâm e Nó là khối trụ tròn trong đó có các xi lanh và Piston hình trụ (3) và (5) đ-ợc bố trí theo kiểu h-ớng tâm (xung quanh chu vi hình trụ) Số l-ợng Piston đ-ợc chọn theo l-u l-ợng và th-ờng có trị số lẻ (z = 3, 5, 7) Vách ngăn (4) ngăn giữa bọng hút A và bọng đẩy B Khi cần Q lớn ng-ời ta chế tạo nhiều dãy xi lanh (5) (thông th-ờng ng-ời ta lấy từ 2 đến 6 dãy)

- Khi rôto quay, do bố trí lệch tâm nên khi đó các Piston (3) vừa quay theo rôto vừa có chuyển động tịnh tiến (chuyển động t-ơng đối) trong các xi lanh (5) Nếu quay theo chiều nh- trên hình vẽ, các Piston chuyển động h-ớng ra khỏi tâm rôto đồng thời luôn tỳ sát vào Stato vì vậy dầu sẽ theo lỗ hút dầu a chảy vào bọng hút A và đi vào các xi lanh (5)

- Khi quay tiếp, đến vị trí Piston bị thành Stato ép, nó chuyển động h-ớng về tâm và lúc đó sẽ nén chất lỏng (dầu) trong xi lanh (5) vào bọng đẩy B và sau đó dầu sẽ theo lỗ đẩy dầu (thoát dầu) b chảy ra ngoài

- Khi rôto quay theo chiều ng-ợc lại thì bọng hút là B, bọng đẩy là A và b là

lỗ hút, a sẽ trở thành lỗ đẩy

- Khi dẫn vào A hoặc B một dòng dầu có áp suất đủ lớn, lúc đó d-ới tác dụng của p các Piston chuyển động và một đầu tỳ sát vào Stato đẩy rôto quay Sau khi truyền áp năng của chất lỏng cho Piston nó sẽ bị đẩy ra ở bọng kia và máy thuỷ lực sẽ trở thành động cơ thuỷ lực

L-u ý: Để Piston luôn tỳ sát vào thành Stato khi làm việc, ngoài lực ly tâm nhiều khi phải dùng lò xo, hoặc các cơ cấu đặc biệt khác hoặc dùng thêm một bơm phụ đẩy chất lỏng vào bọng hút Với p đủ đẩy Piston tỳ vào thành Stato, trong quá trình hút Khi là động cơ thì không cần vì dầu đã có p cao

- L-u l-ợng riêng của bơm hoặc động cơ loại này đ-ợc xác định theo công thức sau:

z - Số Piston L-u l-ợng riêng của nó có thể điều chỉnh đ-ợc bằng cách thay đổi khoảng lệch tâm e Th-ờng thì thay đổi e bằng cách dịch chuyển Stato bằng một cơ cấu

M- Mô men quay của động cơ, KW

p - áp suất dầu, KPa

q - L-u l-ợng riêng, m3/vòng

C

 - Hiệu suất cơ khí

b) Ưu, nh-ợc điểm và phạm vi sử dụng

Bơm thuỷ lực Piston rôto h-ớng kính th-ờng dùng khi cần l-u l-ợng lớn còn

động cơ loại này dùng khi cần mômen lớn, vận tốc chậm

Ví dụ nh- trong băng tải, trong cơ cấu quay, tời

2.1.3 Bơm - Động cơ Piston rôto h-ớng trục

a) Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Máy thuỷ lực Piston h-ớng trục là loại máy có các Piston đ-ợc bố trí song song hoặc nghiêng một góc nào đó so với trục của rôto (khối xi lanh)

Chuyển động tịnh tiến của các Piston đ-ợc thực hiện nhờ một cơ cấu đĩa nghiêng làm điểm tỳ hay nối khớp với một đầu Piston

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý bơm - động cơ Piston rôto h-ớng trục

1 - Rôto (blốc xi lanh); 2 - Đĩa nghiêng; 3 - Đĩa phân phối dầu; 4 - Cơ cấu phụ

điều chỉnh góc nghiêng  của đĩa; 5 - Piston; 6 - Lò xo đẩy Piston luôn tỳ sát vào đĩa nghiêng;7 - Gờ chắn; a - Lỗ hút dầu; b - Lỗ thoát dầu (đẩy dầu)

Hình 2.9 Cấu tạo bơm - động cơ Piston rôto h-ớng trục

Nguyên lý cấu tạo:

- Các lỗ xi lanh phân bố đều trên rôto (1) theo ph-ơng song song với (1)

- Đĩa phân phối dầu (3) có hai rãnh hình xuyến (hình vòng cung) đ-ợc ngăn cách với nhau bằng gờ có chiều rộng s hai rãnh này thông với 2 lỗ hút và đẩy dầu (thoát dầu)

- Để giảm rò rỉ của chất lỏng ng-ời ta phải làm khít cẩn thận bề mặt tiếp xúc giữa rôto (khối xi lanh) và đĩa phân phối (đĩa 3 cố định không quay)

- Số xi lanh th-ờng lấy bằng 7, 9, 11 chiếc

Khi mặt tựa nghiêng một góc , liên kết khớp cầu với đĩa nghiêng

- L-u l-ợng riêng của bơm - động cơ Piston rôto h-ớng trục

Khi mặt tựa có ph-ơng thẳng đứng còn khối xi lanh nghiêng một góc 

- Đĩa (3) có dạng mặt cầu để tăng diện tích tiếp xúc mà không cần tăng diện tích vòng

` Hình 2.11- Mặt tựa đứng, khối xi lanh nghiêng

1 - Khối xi lanh; 2 - Piston; 3 - Đĩa phân phối có mặt tiếp xúc dạng mặt cầu

b) Ưu, nh-ợc điểm và phạm vi sử dụng

Máy Piston h-ớng trục đ-ợc sử dụng rất rộng rãi vì chúng có -u nh-ợc điểm nh- sau:

- Việc phân phối dầu đ-ợc thực hiện bằng đĩa phân phối với mặt đầu của đĩa

đòi hỏi độ chính xác gia công cao nên giá thành loại này đắt

Hình 2.12 Nguyên tắc điều chỉnh l-u l-ợng bơm cánh gạt đơn

a Nguyên ký và ký hiệu; b Điều chỉnh bằng lò xo; c Điều chỉnh l-u l-ợng bằng

thủy lực

c Bơm cánh gạt kép

Bơm cánh gạt kép là khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc

bao gồm hai lần hút và hai lần nén, hình 2.12

Hình 2.13 Bơm cánh gạt kép

d L-u l-ợng của bơm cánh gạt

Nếu các kích th-ớc hình học có đơn vị là [cm], số vòng quay n [vòng/phút], thì l-u l-ợng qua bơm là:

- p làm việc tới 16 MPa, 20 MPa thậm chí có thể tới 70 MPa (700 at)

2.2.1 Phân loại: Xi lanh thuỷ lực đ-ợc chia làm hai loại

+ Xi lanh lực + Xi lanh mô men (xi lanh quay)

- Xi lanh lực có chuyển động t-ơng đối của Piston với xi lanh là chuyển động tịnh tiến

- Xi lanh mô men có chuyển động t-ơng đối là chuyển động quay, lắc

Cấu tạo xi lanh lực

a) Xi lanh hai cán hai chiều b) Xi lanh một cán hai chiều

c) Xi lanh một chiều (chất lỏng tác dụng một chiều, chiều ng-ợc lại thực hiện bằng lò xo, chất lỏng phụ hay một ngoại lực nào đó)

1 - Vỏ xi lanh; 2 - Piston; 3 - Cán piston; 4 - Lò xo; 5 - Gioăng làm kín (tiết diện chữ U hoặc chữ V làm bằng cao su hoặc Composit)

d) Xi lanh lực kiểu lồng hai xi lanh

1 - Piston nhỏ; 2 - Piston lớn; 3 - Gioăng làm kín (tiết diện chữ U hoặc chữ V làm bằng cao su hoặc Composit)

Nguyên lý làm việc: Chất lỏng công tác qua I vào khoang A đẩy (2) sang trái với hành trình S1 và đồng thời vào B đẩy (1) sang trái với hành trình S2

Khi cần mô men lớn ng-ời ta có thể dùng xi lanh quay nhiều cánh gạt, lúc đó góc lắc giảm đi

Chú ý: Xi lanh lực đ-ợc dùng phổ biến hơn trong ngành Máy xây dựng và xếp

dỡ

g) Xi lanh quay 3 cánh gạt

Z = 3 Góc lắc  < 1200

3

Chương III: Van thuỷ lực 3.1 Van dẫn hướng (Van phân phối)

3.1.1 Nhiệm vụ:

Van dẫn h-ớng hay van phân phối làm nhiệm vụ phân phối chất lỏng công tác (dầu thuỷ lực) cao áp từ bơm thuỷ lực tới các đ-ờng ống khác nhau dẫn đến các bộ máy thuỷ lực, vì vậy có thể đảo chiều chuyển động bộ công tác hoặc điều khiển nó theo một quy luật nhất định

3.1.2 Phân loại:

Phân loại van phân phối có nhiều kiểu loại khác nhau

- Dựa vào kết cấu ng-ời ta chia thành:

+ Van phân phối kiểu con tr-ợt

+ Van phân phối kiểu khoá

+ Van phân phối kiểu van hình côn

Trong đó trên Máy xây dựng loại van phân phối kiểu con tr-ợt là phổ biến hơn cả Con tr-ợt phân phối có thể là ngăn kéo hoặc Piston bậc

- Theo vị trí làm việc của con tr-ợt ta có: Hai vị trí, ba vị trí hay nhiều vị trí

- Theo số l-ợng cửa dẫn dầu vào và ra, chúng ta có các loại van: hai cửa, ba cửa, bốn cửa, năm cửa

- Theo đặc điểm điều khiển, van phân phối đ-ợc chia thành kiểu điều khiển bằng cần gạt, bằng nam châm điện, bằng thuỷ lực, bằng khí nén

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của van phân phối kiểu khoá

1 - Nút xoay hình nón (hay hình trụ); 2 - Thân van; 3 - Lò xo

* Phạm vi sử dụng

Dùng khi p không lớn lắm (p  75 bar, Q = 0,2 l/s); Lò xo (3) ép chặt nút nút xoay (1) vào thân van (2)

- Nút hình trụ khó đảm bảo đóng kín vì áp lực chất lỏng không cân đối đẩy nút lệch

về một phía làm khe hở giữa nút và thân tăng lên dẫn đến rò rỉ tăng lên

- Nếu p lớn dẫn đến lò xo (3) phải càng cứng

- Để điều khiển nhẹ nhàng hơn và hạn chế chất lỏng rò rỉ có thể dùng loại nút hình trụ nh-ng trong thân nút có thể khoan thêm các lỗ thông h-ớng kính, làm cho các khoang có p cao đối diện nhau, áp lực tác dụng lên nút cân bằng hơn

- Khi xoay nút đi 90o có thể đổi chiều bộ công tác (bằng cách đổi chiều dòng chất lỏng)

Hình 3.2 Sơ đồ hoạt động của van phân phối kiểu khoá

H.a - dầu không qua van phân phối; H.b - dầu từ P sang A và từ B sang T;

H.c - dầu từ P sang B và từ A sang T

b) Van phân phối kiểu van hình côn:

Nó đ-ợc dùng khi cần phân phối chất lỏng một cách gián đoạn theo một quy luật nhất định

- Khi tác dụng lực P thì van mới mở cho dầu chảy qua

- Khi không tác dụng lực điều khiển, van đóng lại (nắp van ép khít vào đế ở thân van)

- Lực P có thể tác dụng bằng tay, cơ khí hoặc bằng điện

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của van phân phối kiểu van hình côn

1 - Nắp van; 2 - Thân van; 3 - Lò xo

c) Van phân phối kiểu con tr-ợt

* Van phân phối kiểu con tr-ợt ngăn kéo

P

1

Hình 3.4 Sơ đồ cấu tạo van phân phối con tr-ợt ngăn kéo

d) Van phân phối kiểu Piston bậc

* Cấu tạo và nguyên lý làm việc của một van 4 cửa, 3 vị trí (4/3)

Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo và các vị trí làm việc của van phân phối

Ha Vị trí 1: Van bị đóng hoàn toàn, cửa dầu P và T đều đóng

Hb Vị trí 2: P nối với A, B nối với T khi đẩy cần gạt sang phải

Hc Vị trí 3: P nối với B, A nối với T khi đẩy cần gạt sang trái

Nếu loại van có 4 vị trí sẽ có vị trí “bơi” vị trí này có các cửa lưu thông đều có dầu, bộ công tác có thể bơi bập bềnh, trong máy ủi thuỷ lực, lúc này l-ỡi ủi có thể sao chép địa hình trên địa hình mấp mô

* Van phân phối 2 cửa, 2 vị trí (Đóng, mở) dùng cho xi lanh làm việc một chiều

Hình 3.6 Van đảo chiều 2/2

* Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2)

Hình 3.7 Van đảo chiều 3/2

c) Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2)

Hình 3.8 Van đảo chiều 4/2

Ký hiệu: P- cửa nối bơm;

T- cửa nối ống xả về thùng dầu;

A, B- cửa nối với cơ cấu điều khiển hay cơ cấu chấp hμ nh;

L- cửa nối ống dầu thừa về thùng

Chú ý:

1) Loại 2 vị trí dùng cho xi lanh làm việc 1 chiều, loại 3, 4 vị trí dùng cho loại

xi lanh làm việc hai chiều

2) Khi lựa chọn van phân phối cần phải căn cứ vào những tính năng kỹ thuật quan trọng nhất nh- kiểu đóng mở, p, Q

3) Trong thực tế van phân phối có cấu tạo phức tạp do đ-ợc ghép nối nhiều ngăn kéo hoặc trong van có bố trí thêm van 1 chiều, van an toàn

Van áp suất gồm có các loại sau:

+/ Van tràn và van an toàn

an toµn lµm viÖc khi qu¸ t¶i

Ký hiÖu van trµn vµ van an toµn:

Gi¶i thÝch: khi ¸p suÊt p1 do b¬m dÇu t¹o nªn v-ît qu¸ møc ®iÒu chØnh, nã sÏ th¾ng lùc lß xo, van më cöa vµ ®-a dÇu vÒ bÓ §Ó ®iÒu chØnh ¸p suÊt cÇn thiÕt nhê vÝt ®iÒu chØnh ë phÝa trªn

Cã nhiÒu lo¹i: +/ KiÓu van bi (trô, cÇu)

+/ KiÓu con tr-ît (pitt«ng) +/ Van ®iÒu chØnh hai cÊp ¸p suÊt (phèi hîp)

H×nh 3.9 KÕt cÊu kiÓu van bi

Ta cã: p1.A = C.(x + x0) (bá qua ma s¸t, lùc qu¸n tÝnh, p2 ≈ 0)

Trong đó:

x0 - biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu;

C - độ cứng lò xo;

F0 = C.x0 - lực căng ban đầu;

x - biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn);

p1 - áp suất làm việc của hệ thống;

A - diện tích tác động của bi

Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nh-ng có nh-ợc điểm: không dùng đ-ợc ở

áp suất cao, làm việc ồn ào Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong hệ thống giảm đột ngột

b Kiểu van con tr-ợt:

Hình 3.10 Kết cấu kiểu van con tr-ợt

Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3 Nếu nh- lực do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng l-ợng G của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể Lỗ 4 dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài

Ta có: p1.A = Flx (bỏ qua ma sát vμ trọng l− ợng của pittông)

Flx = C.x0

Khi p1 tăng  F = p1.A > Flx  pittông đi lên với dịch chuyển x

c Van điều chỉnh hai cấp áp suất

Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh đ-ợc áp suất cần thiết Lò xo 2 có tác dụng lên bi trụ (con tr-ợt), là loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác Lỗ tiết l-u có đ-ờng kính từ 0,81 mm

Hình 3.11 Kết cấu của van điều chỉnh hai cấp áp suất

Dầu vào van có áp suất p1, phía d-ới và phía trên của con tr-ợt đều có áp suất dầu Khi áp suất dầu ch-a thắng đ-ợc lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía d-ới và áp suất

p2ở phía trên con tr-ợt bằng nhau, do đó con tr-ợt đứng yên

Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua con tr-ợt, lên van bi chảy về

bể Khi dầu chảy, do sức cản của lỗ tiết l− u, nên p1 > p2, tức là một hiệu áp Δp = p1

- p2 đ-ợc hình thành giữa phía d-ới và phía trên con tr-ợt (Lúc này cửa 3 vẫn đóng)

A2.p1 > C1.x2 và C2.x3 > p1.A3

Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2  lúc này cả 2 van đều hoạt động

Loại van này làm việc rất êm, không có chấn động áp suất có thể điều chỉnh trong phạm vi rất rộng: từ 5  63 bar hoặc có thể cao hơn

3.2.2.2 Van giảm áp

Trong nhiều tr-ờng hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp năng l-ợng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt tr-ớc cơ cấu chấp hành nhằm

để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết

Ký hiệu:

Kết cấu van giảm áp

Hình 3.12 Kết cấu của van giảm áp

Ví dụ mạch thuỷ lực có lắp van giảm áp

Hình 3.12 Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp

Trong hệ thống này, xilanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên

áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh 2 áp suất ra p2 có thể điều chỉnh đ-ợc nhờ van giảm áp

Ta có lực cân bằng của van giảm áp: p2.A = Flx (Flx = C.x)