Máy thể tích - bơm piston

Máy thể tích làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong 1 thể tích kín dưới tác dụng của piston (chuyển động tịnh tiến của piston trong xilanh) hay roto (chuyển động quay của roto trong stato). Do bị nén nê

Chương 6 MÁY THỂ TÍCH - BƠM PISTON

I - Khái niệm chung về máy thể tích - Bơm piston :

Máy thể tích làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong 1thể tích kín dưới tác dụng của piston (chuyển động tịnhtiến của piston trong xilanh) hay roto (chuyển động quay củaroto trong stato) Do bị nén nên thế năng của dòng chảy thayđổi còn động năng thì hầu như không đổi, do đó còn gọimáy thể tích là máy thủy tĩnh

Có 3 loại máy thể tích điển hình là máy piston (vật chèncó chuyển động tịnh tiến) và máy roto (vật chèn cóchuyển động quay) và máy piston roto (vật chèn có chuyểnđộng tịnh tiến nhờ chuyển động quay của khối roto) Vềnguyên tắc, bất cứ máy thể tích nào cũng có thể làmđược hai nhiệm vụ bơm và động cơ Trong chương này takhảo sát bơm piston

I.1 Cấu tạo - Nguyên lý làm việc của bơm piston:

Khảo sát sơ đồ 1 bơm piston : bộ phận chủ yếu là piston 1

tịnh tiến trong xilanh 2 Thể tích làm việc của bơm là khônggian giới hạn bởi xilanh, bề mặt piston và hộp van 5 Khipiston 1 chuyển động qua trái, thể tích buồng làm việctăng lên, áp suất trong buồng làm việc giảm tạo ra độchân không trong buồng làm việc, van hút 6 mở, chất lỏngtheo ống hút 7 được hút vào buồng làm việc Khi pistonchuyển động sang phải, chất lỏng bị nén, áp suất trongbuồng làm việc tăng, van hút 6 đóng lại, khi áp suất trongbuồng làm việc thắng áp suất trong đường ống đẩy (áp

C

B

suất phụ tải) thì van đẩy 4 mở và chất lỏng được đẩy ratheo đường ống đẩy 3.

Piston được dẫn động bằng động cơ điện, thông qua cơcấu tay quay 9 và thanh truyền 10 biến chuyển động quaycủa trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến của piston.Chất lỏng làm việc là nước sạch, dầu khoáng, yêu cầuchất lỏng làm việc là phải sạch, không có các hạt cứng

vì khe hở làm việc giữa thành xilanh và piston là rất bé đểđảm bảo độ kín, nhằm đáp ứng nhu cầu cao của áp suấtlàm việc, do đó các hạt cứng sẽ có nguy cơ gây kẹt hoặctrầy xướt bề mặt làm việc của piston, xilanh

Máy thể tích có ưu điểm là tạo được áp suất cao vớilưu lượng bé, mhưng đồng thời có các nhược điểm sau: Yêu cầu chất lỏng làm việc phải sạch

Dòng chảy qua ống hút và ống đẩy là không liên tục, cóhiện tượng dao động lưu lượng và áp suất trong máythể tích Đây là nhược điểm cơ bản cần khắc phục trongmáy thể tích nói chung và trong bơm piston nói riêng Hiệnnay để khắc phục hiện tượng dao động lưu lượng vàáp suất ta sử dụng bình điều hòa đặt trên đường ốnghút hoặc đường ống đẩy

I.2 Các thông số làm việc trong bơm thể tích:

Vậy cột áp của bơm thể tích phụ thuộc vào:

Aïp suất phụ tải

Khả năng lót kín của thể tích làm việc, nếu lót kínkhông tốt, dưới áp suất lớn sẽ gây rò rỉ lớn dẫn tới mấtmát lưu lượng và cột áp

Công suất của bơm và độ bền chi tiết phải đáp ứngđược yêu cầu về cột áp

Nếu buồng làm việc hoàn toàn kín, nếu bơm có đủ công suất và các chi tiết đủ bền thì áp suất làm việc của bơm phụ thuộc hoàn toàn vào yêu cầu của phụ tải và có thể tăng đến vô cùng Trong thực tế, đến 1 giá trị nào đó của cột áp, chất lỏng sẽ hoàn toàn bị mất mát do rò rỉ, nghĩa là áp suất làm việc của bơm bị giới hạn.

2) Lưu lượng :

trong 1 chu kỳ (thể tích chất lỏng vận chuyển qua bơmtrong 1 chu kỳ)

Gọi n là số chu kỳ làm việc của máy (số vòng quay) trong

1 phút

Lưu lượng lý thuyết của bơm thể tích được tính như sau:

60

n q

Do lưu lượng của máy thể tích dao động theo thời gian nên

ta sẽ khảo sát 2 loại lưu lượng :

Lưu lượng tức thời: xác định tại 1 thời điểm

Lưu lượng trung bình: xác định trong 1 khoảng thời gianlàm việc

3) Lực :

Đối với bơm piston, để tạo cho chất lỏng 1 độ tăng ápsuất làm việc p thì phải tác dụng lên piston 1 lực:

F là diện tích làm việc của piston

4) Công suất và hiệu suất:

Công suất thủy lực: công suất thực tế mà bơm cung

cấp cho chất lỏng

Q p

p Q H

Q

Do các tổn thất cơ khí, tổn thất lưu lượng và tổn thất

cột áp, công suất phải cung cấp trên trục bơm là:

 bao gồm hiệu suất cơ khí do tổn thất cơ khí giữa cácbộ phận làm việc, hiệu suất lưu lượng do rò rỉ và hiệusuất thủy lực

I.3 Khả năng tự hút của bơm thể tích :

Bơm piston hay bơm thể tích nói chung đều có thể tự hútđược, nghĩa là có thể tự khởi động mà không cần mồibơm như bơm ly tâm

Giả sử ở thời điểm bắt đầu làm việc piston ở vị trí tậncùng về phía phải (vị trí A-A) Trong buồng làm việc, hộpvan và ống hút đều có không khí chiếm chỗ

Gọi Vo: thể tích không khí chiếm chỗ trong hệ thốnglúc piston ở vị trí A-A

F : diện tích mặt làm việc của piston

S : hành trình của piston ứng với nửa vòng quaycủa tay quay

Khi piston chuyển động về vị trí tận cùng phía trái (ứngvới 1/2 vòng quay của tay quay), không khí sẽ dãn nở vì thểtích buồng làm việc tăng, giả sử quá trình dãn nở là quátrình đoạn nhiệt, phương trình cơ bản của chất khí cho:

V p

4

d 2 h



Piston chuyển động về phía trái, lượng không khí Vo’tiếptục dãn nở , áp suất giảm và chất lỏng tiếp tục dâng lêntrong ống hút Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chấtlỏng đièn đầy xilanh, khi đó bơm coi như đã tự mồi xong ,bắt đầu làm việc với chất lỏng

II Phân loại bơm piston:

II.1 Phân loại theo phương pháp dẫn động:

Bơm tay: (dẫn động bằng tay)

Bơm dẫn động thẳng: cần piston nối trực tiếp vớicần piston của động cơ dẫn động

Bơm dẫn động bằng cơ cấu tay quay thanh truyền:

II.2 Phân loại theo kết cấu piston:

Piston dạng đĩa: mặt bên piston tiếp xúc với thànhxilanh, lót kín bằng các segment đặt trên piston, cả piston vàlòng xilanh đều phải được chế tạo chính xác

Piston dạng trụ: đường kính piston nhỏ, mặt tiếp xúclà piston và cổ xilanh, do đó lòng xilanh không cần chế tạovới độ chính xác cao Bộ phận lót kín là những đệm lótnằm trên cổ xilanh do đó có thể chế tạo để lót kín rấttốt

II.3 Phân loại theo số lần tác dụng:

Số lần tác dụng là số chu kỳ làm việc của chất lỏng quabơm trong 1 vòng quay của tay quay Ta có các loại sau:

Bơm piston tác dụng đơn : trong 1 vòng quay của tayquay chỉ có 1 chu kỳ làm việc của chất lỏng qua bơm Vớiloại bơm này chất lỏng làm việc ở 1 phía của piston

Bơm piston tác dụng kép (bơm tác dụng 2 chiều):

Trong loại bơm này piston làm việc cả 2 phía, ta có 2 buồnglàm việc A, B ; hai van hút 1,2 và 2 van đẩy 3,4 Trong 1 chukỳ làm việc của bơm có 2 quá trình hút và 2 quá trình đẩychất lỏng

Khi piston qua phải, buồng A là buồng đẩy, buồng B làbuồng hút, khi piston qua trái thì ngược lại, thể tíchbuồng A tăng, thực hiện quá trình hút chất lỏng, cònbuồng B thực hiện quá trình đẩy chất lỏng, a và b làống hút chung và ống đẩy chung Diện tích mặt làm việccủa piston là:

4

d D F

2 2 A

2 B





D: đường kính piston

d: đường kính cần piston

Bơm piston tác dụng ba:

Đây chính là ba bơm tác dụng đơn ghép lại, trục của babơm được dẫn động bằng 1 trục khủyu với góc lệch cổkhuỷu là 120o, chất lỏng được đưa vào và ra các xilanhbằng 1 đường ống hút chung và 1 đường ống đẩy chung. Bơm piston tác dụng bốn:

Là hai bơm tác dụng kép ghép với nhau, trục của hai bơmđược dẫn động bằng 1 trục khủyu với góc lệch cổkhuỷu là 90o, chất lỏng được đưa vào và ra các xilanhbằng 1 đường ống hút chung và 1 đường ống đẩy chung

II.4 Phân loại theo áp suất làm việc

Dựa vào áp suất làm việc, bơm piston được chia ra:

Bơm áp suất thấp: p < 10 at

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

Bơm áp suất cao: p > 20 at

II.5 Phân loại theo lưu lượng :

Dựa vào lưu lượng, bơm piston được chia ra:

Bơm lưu lượng nhỏ: Q < 15 m3/h

Bơm lưu lượng trung bình: Q = (15  60) m3/h

Bơm lưu lượng lớn: Q > 60 m3/h

III Lưu lượng của bơm piston:

III.1 Lưu lượng trung bình:

Lưu lượng lý thuyết trung bình được định nghĩa theo côngthức (3) :

Qlt = q

60 n

Bơm tác dụng đơn qdon = F.S = F.2RT

Bơm tác dụng kép qkep = (2F - f).S

Ta có: S/D = 0,8  2

vtb piston = 0,5  0,9 m/s

III.2 Lưu lượng tức thời:

Trong 1 vòng quay của tay quay của bơm piston tác dụng đơn,dòng chất lỏng qua ống hút và ống đẩy là không liên tục,chỉ xuất hiện trong 1/2 chu kỳ Ngoài ra, khi có dòng chấtlỏng xuất hiện trong ống hút (hoặc trong ống đẩy) thìlưu lượng dòng chảy cũng không là hằng số mà dao động

theo thời gian, chính vì vậy mà ta khảo sát lưu lượng tứcthời tức là lưu lượng tại từng thời điểm.

Lưu lượng tức thời tính tại thời điểm t ứng với góc quay

 của tay quay được tính bằng tích số của diện tích mặtlàm việc của piston với vận tốc chuyển động của piston

Gọi x : quãng đường dịch chuyển của piston ứng vớigóc quay  của tay quay

l : chiều dài thanh truyền : l >> RT(l > 5 RT)

 : góc giữa thanh truyền và đường tâm xilanhứng với góc quay 

Khi tay quay quay 1 góc  thì piston chuyển dời 1 đoạn x là:

 = 180o  360 o : lưu lượng trong quá trình đẩy

III.3 Hệ số không đều của lưu lượng :

C

B

Để đánh giá mức độ không ổn định của lưu lượng ta đưavào 1 hệ số đặc trưng cho mức độ không đều của lưulượng gọi là hệ số không đều:

lt

max Q

60

n 2 R F Q Q

T

T tb

max don

2) Bơm tác dụng kép:

Nếu f << F, tức là không xét đến ảnh hưởng của diện tíchcần piston



57 , 1 2 60

n R 2 F 2

60

n 2 R F Q

Q

T

T tb

3) Bơm tác dụng ba:

Gọi QA, QB, QC là lưu lượng tức thời của 3 bơm A,B,C ghépthành bơm tác dụng ba, các lưu lượng này lệch pha nhau

120o (2/3) , Tại thời điểm t ứng với góc quay  ta có:

n R 2 F 3

60

n 2 R F Q

Q

T

T tb

QA = F.RT..sin 

QB = F.RT..sin ( + 90o)

QC = F.RT..sin ( + 180o)

QD = F.RT..sin ( + 270o)

và Qmax= F.RT..sin(/4) = 2 F RT 

Hệ số không đều của bơm tác dụng bốn là:

Tính chất dao động lưu lượng là nhược điểm cơbản trong máy thể tích nói chung và trong bơm piston nóiriêng Nhược điểm này dẫn đến dong chay trong bơm khôngổn định do đó trong các truyền động thủy lực và các hệthống điều khiển tự động có độ chính xác cao, bơmpiston thường bị hạn chế sử dụng Vấn đề đặt ra chobơm thể tích là khắc phục hiện tượng dao động lưulượng

III.4 Điều chỉnh lưu lượng của bơm piston:

Để có lưu lượng bơm cung cấp phù hợp với yêu cầu củaphụ tải, ta tiến hành điều chỉnh lưu lượng bơm Dựa vàocông thức tính lưu lượng Q = Q.F.2RT.n = F.S.n ta suy ra cácphương pháp điều chỉnh:

- Thay đổi số vòng quay n của tay quay nghĩa là thay đổisố chu kỳ làm việc của bơm trong 1 đơn vị thời gian Phươngpháp này có các nhược điểm:

+ Đòi hỏi động cơ có số vòng quay thay đổi được

do đó rất đắt tiền hoặc phải dùng thêm bộ biến tốc

+Số vòng quay n của bơm còn bị giới hạn vì ảnhhưởng của lực quán tính do chuyển động không ổn địnhcủa chất lỏng trong bơm

- Thay đổi hành trình làm việc của piston bằng cáchthay đổi RT hoặc thay đổi diện tích mặt làm việc củapiston (biện pháp này khó thực hiện vì phải có những cơcấu đặc biệt, rất phức tạp)

- Dùng tiết lưu để xả bớt chất lỏng từ buồng đẩy vềbuồng hút Phương pháp này thường được sử dụng

V Khắc phục chuyển động không ổn định của chất lỏng trong hệ thống bơm piston:

Khi bơm piston làm việc, lưu lượng và áp suất trong hêthống bơm và đường ống bị dao động gây ra nhiều táchại làm tăng tổn thất thủy lực, gây chấn động và nếubơm làm việc trong đường ống dài có thể xuất hiện vađập thủy lực làm hỏng các bộ phận của bơm và hệthống Trong trường hợp nhiều bơm cùng làm việc trong 1hệ thống biên độ dao động của áp suất có thể tăng lênrất lớn do cộng hưởng

Khi bơm làm việc trong hệ thống truyền động thủy lực,hiện tượng dao động lưu lượng và áp suất còn ảnhhưởng xấu đến chất lượng làm việc của hệ thống

Vì những lý do nêu trên, cần phải có biện pháp để hạnchế tính chất không ổn định của dòng chảy trong bơmpiston Có 2 biện pháp sau đây:

1) Dùng bơm tác dụng kép hoặc bơm ghép (tác dụng

ba, tác dụng 4), hệ số không đều của lưu lượng sẽ nhỏthua của bơm tác dụng đơn rất nhiều

2) Dùng bình không khí để điều hòa lưu lượng và ápsuất trong hệ thống (bình điều hòa) Đó là những bìnhchứa kín, có kích thước lớn, đặt trên đường ống húthoặc đường ống đẩy và ngay sát cửa vào (cửa ra) củavan hút (van đẩy)

a) Bình điều hòa hút:

Nguyên lý làm việc của bình điều hòa hút:

Ống ngắn 1 nối với cửa vào của van hút và bình điềuhòa hút, bình điều hòa hút nối với ống hút Độ chânkhông gần như không thay đổi trên mặt thoáng bình điềuhòa hút tạo dòng chảy điều hòa, không bị dao động trênđường ống hút

Khi bơm không làm việc, mực chất lỏng trong bình điềuhòa ở vị trí giữa (trong sơ đồ ở hình 10) Khi bơm làm việcmực chất lỏng dao động giữa 2 vị trí cao nhất và thấpnhất Thể tích không khí trong bình dao động từ Vmin đến

Vmax,, và do đó áp suất măt thoáng trong bình dao động từ

pmax đến pmin (độ dao động rất bé)

Tính năng của bình điều hòa được đặc trưng bởi độ daođộng :

tb

min max p

p max min tb





Khi thể tích không khí trong bình đủ lớn, nghĩa là tiết diệnbình khá lớn so với tiết diện ống hút thì vận tốc dòngchảy trong ống hút xem như không đổi

Trong tính toán sơ bộ ta có thể xem không khí trong bìnhđiều hòa biến đổi theo quá trình đẳng nhiệt, phương trìnhtrạng thái sẽ là:

p.V = const

po

Với V là thể tích của lượng không khí có trọng lượng làhằng số chứa trong buồng không khó của bình điều hòa.Như vậy ta có: pmax.Vmin= pmin.Vmax



max

min max min

V

V p

tb

min max

max

min max max

max

min max max

V

V V

V

V p p

V

V p p

Trong thiết kế  có thể lấy bằng 0,02  0,05

Vtb là thể tich trung bình của không khí trong bình điều hòaHiệu số Vmax- Vmin chính là lượng chất lỏng từ bình điềuhòa đi vào xilanh trong nửa đầu của 1 vòng quay của tayquay Trong nửa vòng quay tiếp theo, 1 lượng chất lỏngnhư thế sẽ tiếp tục tích lũy vào bình

Với  = 0,02 ta có:

- Bơm tác dụng đơn: Vtb=27,5.F piston .S

- Bơm tác dụng kép: Vtb=10,5.F piston .S

- Bơm tác dụng đơn: Vtb=0,45.F piston .S

b) Bình điều hòa đẩy:

Chất lỏng đi từ bình điều hòa đẩy vào ống đẩy nhờ ápsuất dư trên mặt thoáng của bình điều hòa Trong quátrình đẩy của bơm, một phần lưu lượng của bơm đượctích lại trong bình điều hòa, mức chất lỏng dâng lên trongbình điều hòa, trong nửa hành trình tiếp theo của piston,van đẩy đóng, nhưng nhờ có áp suất lớn của khối khôngkhí bị nén trong bình điều hòa nên chất lỏng được tiếptục đẩy ra ống đẩy Do kích thước của bình lớn nên mựcchất lỏng trong bình dao động rất ít, nhờ vậy dòng chấtlỏng trong ống đẩy luôn được điều hòa, lực quán tínhchỉ xuất hiện 1 đoạn ngắn từ bơm đến bình điều hòa.Để bình điều hòa làm việc có tác dụng cần phải đảmbảo thường xuyên 1 lượng không khí cần thiết nhất định

2 p xh h

1 g

v p x Z g

v

p

Trong đó

* 1g vtds l

g

dv dt

x g

dv dt

v g

i i

n

i i i

i i

Với: - hvh : tổn thất cục bộ tại van hút

-  ,  : các hệ số ma sát dọc đường và hệ số tổnthất cục bộ

- vi : vận tốc của chất lỏng trong các đoạn ống nốitương ứng trên ống hút có đường kính là di, tiết diện fi,chiều dài li

m 1

i i 2

i

n 1

i iqdh

f

F d

l f

x L 1

g

v h x Z p

qdh

2 p vh h

 

R x R

x R

x R

Kết luận: áp suất trong xilanh thay đổi theo x  có sự dao

động áp suất trong xilanh:

- Tai x=0 : bắt đầu hành trình, ta có giá trị áp suất bénhất:

R g

L h Z p p

- Tai x=2RT : cuối hành trình, ta có giá trị áp suất làmviệc trong quá trình hút đạt giá trị lớn nhất:

Với h là cột áp dự trữ chống xâm thực

Khi nhiệt độ tăng thì pbh tăng, [sin Hck] giảm do đó chiều cao hútcho phép cũng giảm

- Giảm số vòng quay n (giảm ):

vh h bh a h

R L

h h Z p p 29 n