Giáo Trình Truyền Động Thủy Lực Và Khí Nén

Các tính chất ưu việt của truyền ñộng thuỷ lực ñược tóm tắt như sau: • Kết cấu ñơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn; • Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý ñến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Pgs.ts BÙI HẢI TRIỀU (Chủ biên)

ts nGUYỄN NGỌC QUẾ, ts ðỖ HỮU QUYẾT

TS NGUYỄN VĂN HỰU

GIÁO TRÌNH TRUYỀN ðỘNG THUỶ LỰC

VÀ KHÍ NÉN

Hµ néi – 2006

Lời nói đầu Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tự động hoá,

kỹ thuật điện tử và kỹ thuật số, kỹ thuật thuỷ khí ngày càng có ý nghĩa lớn trong các hệ thống truyền động và điều khiển Trong các lĩnh vực chế tạo máy và kỹ thuật ô tô - máy kéo, thuỷ lực và khí nén đang có một vai trò đáng kể do có mật độ công suất cao, cấu trúc hệ thống đơn giản, độ tin cậy cao, và đặc biệt là có khả năng thiết lập một hệ thống truyền động và điều khiển bất kỳ với các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn Hơn nữa, khả năng bố trí các phần tử tự do và linh động theo không gian và sử dụng các van điều khiển điện có chi phí công suất nhỏ là tiền

đề quan trọng cho các giải pháp truyền động hiện đại

Đặc điểm của hệ thống truyền động thuỷ lực, khí nén là các phần tử cấu trúc đòi hỏi độ chính xác chế tạo và độ bền rất cao, do đó để chế tạo hoàn thiện một hệ thống với trình độ công nghệ hiện tại ở nước ta là chưa cho phép Thiết kế hệ thống trên cơ sở lựa chọn và nhập ngoại các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn, tự chế tạo các phần thô để hoàn thiện hệ thống truyền

động và điều khiển theo nhiệm vụ công nghệ cho trước đang là hướng đi đúng để phát triển kỹ thuật thuỷ lực và khí nén ở Việt Nam hiện nay Đó cũng chính là mục đích mà cuốn sách này muốn đạt đến Giáo trình Truyền động Thuỷ lực và Khí nén giới thiệu những kiến thức cơ bản nhất trong kỹ thuật thuỷ lực và khí nén, như các cơ sở vật lý và kỹ thuật của thuỷ lực và khí nén, các nguyên tắc cấu tạo và các tính chất hoạt động cơ bản của các phần tử cấu trúc như bơm dầu, máy nén khí, các van điều khiển, các động cơ và các xy lanh lực Bên cạnh đó, cuốn sách còn đề cập đến các kiến thức về kết nối mạch thuỷ lực, khí nén, về tính chất hoạt động của các mạch truyền động và điều khiển tiêu biểu, về khả năng điều khiển và điều chỉnh hệ thống một cách tự động, từ đó tạo khả năng để lựa chọn các phần tử tiêu chuẩn và thiết kế các

hệ thống truyền động, điều khiển thuỷ lực, khí nén phù hợp với yêu cầu công nghệ đS đặt ra

Giáo trình truyền động thuỷ lực và khí nén được biên soạn theo yêu cầu giảng dạy môn học Truyền động Thuỷ lực và Khí nén cho sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội Kiến thức của môn học làm cơ sở cho các môn học tiếp theo, như ô tô - máy kéo và xe chuyên dụng, các máy nông nghiệp phức tạp, máy và thiết bị trong bảo quản và chế biến nông sản Ngoài ra, giáo trình cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và kỹ sư hoạt động trong các lĩnh vực chế tạo máy và tự động hoá

Giáo trình này do PGS TS Bùi Hải Triêù, trưởng bộ môn Kỹ thuật Động lực làm chủ biên, TS Nguyễn Văn Hựu - bộ môn Máy Nông nghiệp, TS Nguyễn Ngọc Quế - bộ môn Kỹ thuật Động lực, TS Đỗ Hữu Quyết – bộ môn Cơ học kỹ thuật cùng tham gia biên soạn

Giáo trình này được biên soạn trên cơ sở những tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong

và ngoài nước về kỹ thuật thuỷ khí, về ứng dụng của thuỷ lực và khí nén trong các lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là ứng dụng trên các máy tự hành hoạt động trong các lĩnh vực: lâm nghiệp, xây dựng, giao thông, khai khoáng …

Để hoàn thiện cuốn giáo trình này các tác giả xin cám ơn TS Hans Maack, viện Cơ

Điện tử và Kỹ thuật Truyền động, Trường Tổng hợp Rostock đS tặng và giúp sưu tầm các tài liệu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ khí Các tác giả cũng xin cảm ơn GS TS Renuis, Viện máy Nông nghiệp, trường Bách khoa Munich đS khuyến khích, tư vấn xây dựng môn học

và giáo trình Truyền động Thuỷ lực và Khí nén ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp

Môn học Truyền động thuỷ lực và khí nén lần đầu tiên được xây dựng, do đó giáo trình

sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong bạn đọc đóng góp những ý kiến để cuốn sách

được hoàn thiện hơn Các ý kiến đóng góp phê bình xin gửi về Bộ môn Kỹ thuật Động lực, Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nông nghiệp I – Hà Nội Xin chân thành cảm ơn!

Các tác giả

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….1

Mở ñầu

Trong ngành cơ khí, truyền ñộng thuỷ lực và khí nén ñược xếp vào chuyên ngành kỹ thuật truyền lực Nhiệm vụ của kỹ thuật truyền lực là xây dựng hệ thống truyền lực của máy hay thiết bị sao cho nhiệm cụ công nghệ của chúng ñược thực hiện tối ưu Thí dụ hệ thống truyền lực của một xe hơi, hệ thống truyền lực của một máy ép,…

Hình 1 Sơ ñồ nguyên lý của một hệ thống truyền lực

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền lực ñược trình bày trên hình 1 Công suất truyền lực ñược cung cấp từ ñộng cơ ñiện hay ñộng cơ ñốt trong Các thông số ra Me và ωecủa ñộng cơ cần ñược chuyển ñổi thành các thông số vào yêu cầu của một máy hay thiết bị chuyển ñộng quay Ma, ωa, hoặc là các thông số vào của máy hay thiết bị chuyển ñộng tịnh tiến Fa, va nhờ một bộ chuyển ñổi Nhiệm vụ chuyển ñổi năng lượng này ñược các hệ thống truyền ñộng ñảm nhận ðối với các máy công tác khác nhau, các nhà thiết kế có rất nhiều dạng truyền ñộng khác nhau ñể lựa chọn ra phương án phù hợp với ñiều kiện cụ thể

Các hệ thống truyền ñộng có thể ñược phân loại theo loại phần tử ñể chuyển ñổi các thông số vào thành các thông số ra:

* Truyền ñộng cơ học: Các phần tử truyền năng lượng là các bộ truyền cơ học (bánh

răng, ñai, xích, v.v.) Trong loại truyền ñộng này việc thay ñổi tỷ số truyền vô cấp chỉ có thể thực hiện trong khoảng giới hạn Truyền ñộng cơ học yêu cầu một không gian lắp ñặt cố ñịnh giữa ñộng cơ truyền lực và máy công tác

* Truyền ñộng ñiện: Tần số quay của ñộng cơ ñiện hiện nay có thể thay ñổi trong

một khoảng rộng Nhờ ñó một phần chức năng truyền ñộng từ ñộng cơ và ñiều khiển truyền ñộng ñã ñược thực hiện ngay trên ñộng cơ ñiện Trong ña số các trường hợp, hệ thống truyền ñộng ñiện cần có một bộ truyền cơ học với tỷ số truyền không ñổi ñể làm thích ứng mô men quay và tần số quay với các thông số yêu cầu của thiết bị cần dẫn ñộng Hệ thống truyền ñộng ñiện cũng yêu cầu một không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác

* Truyền ñộng thuỷ lực: Trong truyền ñộng thuỷ lực việc truyền công suất trong hệ

thống do chất lỏng ñảm nhận Tuỳ theo việc sử dụng năng lượng của dòng chất lỏng là thế năng hay ñộng năng mà hệ thống ñược gọi là truyền ñộng thuỷ tĩnh hay truyền ñộng thuỷ ñộng

+ Truyền ñộng thuỷ tĩnh làm việc theo nguyên lý choán chỗ Trong trường hợp ñơn

giản nhất, hệ thống gồm một bơm ñược truyền ñộng cơ học cung cấp một lưu lượng chất lỏng

ñể làm chuyển ñộng một xy lanh hay một ñộng cơ thuỷ lực Áp suất tạo bởi tải trọng trên ñộng cơ hay xi lanh lực cùng với lưu lượng ñưa ñến từ bơm tạo thành công suất cơ học truyền ñến các máy công tác ðặc tính của truyền lực thuỷ tĩnh có tính chất: tần số quay cũng như vận tốc của máy công tác trong thực tế không phụ thuộc vào tải trọng Do có khả năng tách bơm và ñộng cơ theo không gian và sử dụng các ñường ống rất linh ñộng nên không cần một không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác Trên hệ thống truyền ñộng thuỷ tĩnh có thể thay ñổi tỷ số truyền vô cấp trong một khoảng rộng Chất lỏng thuỷ lực hiện nay

có thể ñược sử dụng là dầu từ dầu mỏ, chất lỏng khó cháy, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc nước

+ Truyền ñộng thuỷ ñộng ñược cấu tạo từ một phần bơm và một phần ñộng cơ (tua

bin) Việc chuyển ñổi mô men và tần số quay ñược thực hiện nhờ ñộng năng của khối chất lỏng ðường ñặc tính của truyền ñộng thuỷ ñộng có tính chất: tần số quay của phần bị ñộng giảm khi mô men quay tăng Trong sử dụng, truyền ñộng thuỷ ñộng có cấu trúc gọn nhưng yêu cầu có một không gian xác ñịnh giữa ñộng cơ và thiết bị cần dẫn ñộng

* Truyền ñộng khí nén: Cấu trúc tổng quát của truyền ñộng khí nén cũng tương tự

như cấu trúc của truyền ñộng thuỷ tĩnh ðiều khác biệt cơ bản dẫn ñến sự khác biệt về tính chất hoạt ñộng và cấu trúc của các chi tiết là môi chất truyền năng lượng Trong các hệ thống truyền ñộng khí nén môi chất là không khí nén – một chất “lỏng” chịu nén Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt ñộng các ñộng cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường

Ngoài ra ñể thiết kế một hệ thống truyền lực còn có các giải pháp kết hợp: thuỷ lực – khí nén; ñiện – khí nén; ñiện – thuỷ lực, …

Giải pháp tối ưu cho một nhiệm vụ ñiều khiển và truyền lực luôn phụ thuộc vào mức

ñộ thực hiện các yêu cầu công nghệ, kỹ thuật và kinh tế Trong kỹ thuật có hàng loạt các trường hợp ứng dụng và các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu Khi ñó việc lựa chọn sử dụng loại truyền lực và truyền ñộng nào là dựa vào các lợi thế ñặc biệt của một loại Các bộ truyền lực tịnh tiến ñể khắc phục lực tải lớn với vận tốc nhỏ thường ñược thực hiện bằng thuỷ lực Thí

dụ cho các trường hợp này là các máy nén ép trong công nghiệp ô tô và công nghiệp chế tạo vật liệu nhân tạo, bộ phận nâng hạ trong các máy nâng hàng, máy xúc và cần cẩu tự hành,…

Cả truyền ñộng của các máy công tác hạng nặng và các máy công nghiệp cũng ñược thực hiện bằng thuỷ lực Trong các máy công cụ, trong kỹ thuật rô bốt và chế tạo máy, trong chế tạo tàu biển, hàng không, trên các xe vận tải cũng luôn gặp các ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực và khí nén Trong kỹ thuật truyền lực, ñiều khiển và ñiều chỉnh ngoài thuỷ lực và khí nén còn ứng dụng cả các giải pháp cơ học, ñiện - ñiện tử hoặc liên hợp các giải pháp ðặc biệt các bộ truyển thuỷ lực - ñiện và khí nén - ñiện ngày càng ñược phát triển rộng rãi do ñược kết nối với máy tính và ứng dụng kỹ thuật ñiều khiển số Các hệ thống thuỷ lực và khí nén ñiều khiển

số ngày càng có ý nghĩa lớn trong sản xuất

Những cơ sở vật lý, những kiến thức về cấu trúc, các nguyên lý hoạt ñộng của các thiết bị cũng như các mạch thuỷ lực và khí nén ñược trình bày trong cuốn sách sẽ giúp cho sinh viên và các kỹ sư cơ khí có thể thiết kế ñược các hệ thống truyền lực thuỷ lực và khí nén hoạt ñộng có hiệu quả và chính xác Từ ñó tạo ra khả năng mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ thuật thuỷ khí

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….3

Phần A

Truyền ñộng thuỷ lực

Chương I

Cơ sở kỹ thuật truyền ñộng thuỷ lực

1.1 Cấu trúc và hoạt ñộng của một bộ truyền ñộng thuỷ lực

Cấu trúc và tác ñộng lẫn nhau của các nhóm cấu trúc truyền ñộng thuỷ lực ñược trình

bày trên hình 1.1 Phần thuỷ lực bao gồm bơm thuỷ lực ñể tạo dòng dầu có áp suất, xy lanh

thuỷ lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực là phụ tải Giữa các phần tử cơ bản còn có ống dẫn dầu, các

van ñiều khiển và các bộ phận phụ trợ thuỷ lực ñặc biệt như bình lọc, bộ làm mát, bộ tích áp

và các bộ phận khác

Hình 1.1 Sơ ñồ truyền công suất trong một thiết bị thuỷ lực

Máy ñộng lực thường ñược sử dụng là ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ ñốt trong, truyền

cho bơm mô men quay M1 và tần số quay n1 (v/s) và cung cấp một công suất cơ học:

Pch. =2 πM1n1 Công suất này ñược chuyển ñổi thành công suất thuỷ lực trong bơm:

trong ñó: p là áp suất dầu yêu cầu từ máy công tác; Q- lưu lưu lượng ñược tính từ tần

số quay và kích thước của bơm

Dòng dầu có áp suất trong thiết bị thuỷ lực ñược dẫn qua các ñường ống và các van

ñiều khiển ñến xy lanh lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực, tại ñó công suất thuỷ lực lại ñược biến ñổi

thành công suất cơ học cần thiết của máy công tác ðối với các xy lanh thuỷ lực công suất cần

thiết ñược tính theo lực yêu cầu trên cần pít tông và vận tốc pít tông:

ðối với ñộng cơ thuỷ lực công suất yêu cầu ñược tính theo số liệu của máy công tác:

Máy ñộng lực (ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ ñốt trong)

Máy công tác (máy nén

ép hoặc truyền lực chuyển ñộng của xe hơi)

Bơm thuỷ lực

ðường ống Phụ kiện Phần tử ñiều khiển

Xy lanh thuỷ lực hoặc ñộng

2 2

Công suất thuỷ lực

Prl= pQ

Mô men truyền lực tỷ lệ thuận với áp suất ñược tạo ra ứng với tải trọng tác ñộng lên pít tông

Hình 1.2 Truyền ñộng cho một xy lanh thuỷ lực

a- Cấu trúc cơ bản; b- Hành tình tiến; c- Hành trình trả về

Do bơm chỉ cung cấp một phía, trong khi ñó xy lanh lại cần chuyển ñộng ñược cả hai chiều, cho nên cần bố trí một van phân phối ñể hướng dẫn dòng dầu ñến mỗi phía mong muốn của pít tông Van phân phối xác ñịnh việc khởi hành, dừng lại và chiều chuyển ñộng (nghĩa là toàn bộ quá trình chuyển ñộng) của pít tông Trên hình 1.2b van phân phối ñang ở vị trí ñiều khiển hành trình tiến của pít tông Lúc ñó dòng dầu từ bơm chuyển ñộng qua van ñến phần bên trái của xy lanh và ñẩy pít tông chuyển ñộng sang phải, ñồng thời phần dầu ở ngăn bên phải pít tông ñược chảy qua van trở về thùng Hành trình trả về ñược thực hiện khi van phân phối ở

vị trí ñối diện (hình 1.2c) Tại vị trí trung gian của van phân phối cả hai ñường dầu ñến xy lanh ñều bị chặn lại và dòng dầu từ bơm có thể chảy gần như không có áp suất về thùng

ðể ñảm bảo an toàn cho thiết bị thuỷ lực hoặc hạn chế áp suất cực ñại người ta sử dụng các van giới hạn áp suất (hình 1.2b,c) Khi áp suất dầu tạo ra áp lực lớn hơn lực lò xo,

a)

b)

c)

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….5

van sẽ mở ra và dòng dầu từ bơm sẽ chảy qua van về thùng mang theo cả phần nhiệt lượng sinh ra khi ñó trong hệ thống

Sơ ñồ truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực cũng có thể ñược sử dụng tương tự Sơ

ñồ hoạt ñộng và sơ ñồ mạch thuỷ lực ñối với ñộng cơ thuỷ lực không thay ñổi thể tích làm việc ñược trình bày trên hình 1.3 ðộng cơ có thể quay hai chiều nhờ chuyển mạch van phân phối Van giới hạn áp suất ñược bố trí ñể giới hạn mô men quay khi quá tải

Hình 1.3 Truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực

1- Van gi ới hạn áp suất; 2- Van phân phối 4/3; 3- ðộng cơ thuỷ lực

Trong nhiều trường hợp sử dụng cần tìm những giải pháp thích hợp cho các hệ thống truyền lực Khi ñó cần biết ưu ñiểm, nhược ñiểm của mỗi loại truyền lực Các tính chất ưu việt của truyền ñộng thuỷ lực ñược tóm tắt như sau:

• Kết cấu ñơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn;

• Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý ñến vị trí của liên hợp cơ học;

• Truyền lực lớn khi thể tích kết cấu tương ñối nhỏ do có trọng lượng trên ñơn vị công suất của bơm và ñộng cơ nhỏ (trọng lượng công suất của ñộng cơ thuỷ lực so với ñộng

cơ ñiện là 1/10);

• Tính chất ñộng lực học khá tốt (tăng tốc, giảm tốc) do mô men quán tính của ñộng cơ thuỷ lực nhỏ (tỷ lệ mô men quán tính so với ñộng cơ ñiện cùng mô men quay là 1/50);

• Chuyển ñổi ñơn giản chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng dao ñộng và ngược lại;

• ðảo chiều ñơn giản;

• Thay ñổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng (ñặc biệt có lợi cho các máy tự hành);

• Bảo vệ quá tải ñơn giản nhờ van giới hạn áp suất;

• Giám sát ñơn giản nhờ áp kế;

• Có khả năng tự ñộng hoá chuyển ñộng dễ dàng

Bên cạnh ñó, các nhược ñiểm làm hạn chế khả năng sử dụng truyền ñộng thuỷ lực là:

• Hiệu suất thấp so với truyền ñộng cơ học, do ma sát của chất lỏng trong ñường ống và các phần tử, do hao tổn lọt dòng trong các khe hở lắp ghép;

• Không thể (hay khó) ñồng bộ quá trình chuyển ñộng do hiện tượng trượt giữa phần chủ ñộng và phần thụ ñộng, do hao tổn lọt dòng và tính chịu nén của dầu;

• Chi phí chế tạo cao do yêu cầu ñộ chính xác cao của các phần tử trong hệ thống thuỷ lực

1.2 Chất lỏng thuỷ lực

Chất lỏng thuỷ lực là môi chất mang năng lượng trong hệ thống thuỷ lực Kiến thức về loại chất lỏng, về tắnh chất và về tắnh chất hoạt ựộng có ý nghĩa rât lớn ựối với việc thiết kế và vận hành các thiết bị thuỷ lực

1.2.1 Nhiệm vụ và yêu cầu

Nhiệm vụ của chất lỏng thuỷ lực là truyền lực và lưu thông dưới dạng một dòng chất

lỏng có áp suất từ bơm thuỷ lực ựến ựộng cơ và xy lanh thuỷ lực Ngoài ra chất lỏng thuỷ lực còn ựảm nhận việc bôi trơn, chống rỉ và làm mát các chi tiết của hệ thống

Yêu cầu về chất lỏng thuỷ lực xuất phát từ nhiệm vụ của chúng Tuy nhiên giữa các thiết bị khác nhau có các dạng yêu cầu khác nhau, ựôi khi còn mâu thuẫn với nhau Có thể tham khảo các yêu cầu quan trọng nhất dưới ựây:

Ớ Tắnh chất nhiệt ựộ - ựộ nhớt hợp lý, ựộ nhớt cần thay ựổi ắt nhất trong khoảng nhiệt ựộ rộng ;

Ớ Tắnh chất chống mòn và bôi trơn tốt, cần lưu ý là luôn xuất hiện chế ựộ ma sát hỗn hợp nhất là ựối với các máy thuỷ lực pắt tông;

Ớ Tắnh chống rỉ tốt, thắch ứng với các phớt làm kắn, các phần tử cao su, vật liệu nhân tạo

Trong truyền ựộng thuỷ tĩnh người ta sử dụng chủ yếu các loại chất lỏng thuỷ lực sau:

- Chất lỏng thuỷ lực từ dầu mỏ (dầu khoáng);

- Chất lỏng thuỷ lực khó cháy

Dầu khoáng là chất lỏng thuỷ lực ựược sử dụng phổ biến nhất, ựây là loại dầu chuyên

dùng cho các thiết bị thuỷ lực có pha thêm một số chất phụ gia Các chất phụ gia dùng ựể cải thiện các tắnh chất của dầu thuỷ lực, thắ dụ tắnh chất nhớt Ờ nhiệt ựộ, tắnh chất bôi trơn Ờ chống mòn, tắnh chất chống rỉ hoặc ựộ bền lão hoá

Chất lỏng thuỷ lực khó cháy có nhiệt ựộ bắt cháy cao hơn hẳn dầu khoáng, thường

ựược sử dụng trên các thiết bị có nguy cơ cháy nổ Có hai loại chất lỏng thuỷ lực khó cháy là chất lỏng chứa nước có nguồn gốc dầu mỏ và chất lỏng không chứa nước trên cơ sở vật liệu tổng hợp

Ngoài ra trên các thiết bị tự hành còn sử dụng dầu ựộng cơ và dầu truyền lực làm

chất lỏng thuỷ lực Dầu này ựược sử dụng trong một mạch dầu chung vừa ựể bôi trơn ựộng cơ

và hộp số, vừa ựể thực hiện cả nhiệm vụ truyền lực trong hệ thống thuỷ lực

đôi khi trên các thiết bị di ựộng và có nhiệt ựộ làm việc thấp người ta còn sử dụng

dầu truyền lực tự ựộng (ATF) làm chất lỏng thuỷ lực, vắ dụ trong bộ phận lái tuỳ ựộng của

PKW

b) C ơ sở phân loại

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….7

Dầu khoáng ñược phân loại theo ñộ nhớt (Viscosity Grad: VG) Cơ sở phân loại theo

ñộ nhớt là dựa trên ñộ nhớt ñộng học trung bình tại nhiệt ñộ chuẩn 400C (bảng 1.1) ðể thiết

bị thuỷ lực hoạt ñộng tốt cần giữ một giới hạn ñộ nhớt xác ñịnh, giới hạn ñó ñược các nhà sản xuất dầu thuỷ lực quy ñịnh Dưới ñây là một số giá trị kinh nghiệm có thể tham khảo:

Dầu ñộng cơ và dầu truyền lực ñược phân loại theo SAE

Bảng 1.3 trình bày các giá trị số liệu quan trọng nhất của các chất lỏng thuỷ lực thông dụng trên các thiết bị thuỷ lực tự hành

Bảng 1.3 Tổng hợp các số liệu quan trọng nhất của chất lỏng thuỷ lực

Tính chất vật liệu Ký hiệu ðơn vị Dầu khoáng

Nhiệt dung riêng C kJ/(kg.0K) 1,83 – 1,91

Hệ số dẫn nhiệt ở 200C λ W/(m.0K) 0,11 – 0,14

Do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lực và chất lỏng thuỷ lực,

do sự cần thiết làm thích ứng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế với nhau nên việc tiêu chuẩn hoá luôn nằm trong trạng thái vận ñộng Các trích dẫn trong tài liệu này chỉ ñưa ra một số các tiêu chuẩn quan trọng nhất ñể tham khảo

1.2.3 Các tính chất vật lý

a) Tính ch ất nhớt

ðộ nhớt là một thông số ñặc trưng ñặc biệt quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ

lực ðộ nhớt cung cấp thông tin về ma sát trong của chất lỏng thuỷ lực và cùng với khối lượng riêng của chất lỏng cung cấp thông tin về tính chất cản trên dòng chảy (thí dụ trên ñường ống),

và quan trọng hơn cả là cung cấp thông tin về khả năng tải của chất lỏng, có nghĩa là về khả năng chịu tải của các phần tử máy, các trục trên ổ trượt hoặc pít tông và xy lanh

ðể dễ dàng làm sáng tỏ khái niệm ñộ nhớt có thể sử dụng một thí dụ quen thuộc dưới ñây (hình 1.4): Hai tấm phẳng song song chuyển ñộng tương ñối với nhau với một vận tốc nhỏ

có môi trường ngăn cách là chất lỏng Tấm phẳng dưới không chuyển ñộng còn tấm phẳng trên chuyển ñộng sang phải với vận tốc vxp Trong khoảng cách giữa hai tấm có sự phân bố vận tốc chất lỏng theo tỷ lệ:

h

Vy

)y(

=

Hình 1.4 Phân bố vận tốc chất lỏng giữa hai tấm phẳng song song

Từ ñó xuất hiện sức cản ma sát trên một ñơn vị diện tích hay còn gọi là ứng suất trượt

ma sát:

dy

dVxη

−

=τ

ðây là ñịnh luật Niu tơn quen thuộc về ma sát, trong ñó hệ số tỷ lệ η ñược gọi là ñộ nhớt ñộng lực học

ðối với kỹ thuật thuỷ lực ñộ nhớt ñộng học ν thường có khả năng biểu hiện cao hơn

vì nó mô tả tính chất dòng chảy của chất lỏng dưới ảnh hưởng của quán tính khối lượng và lực trọng trường

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….9

ρ

η

=

ν (1.2) Các hệ ñơn vị dưới ñây ñược sử dụng cho ñộ nhớt:

+ ðộ nhớt ñộng lực học η:

1 Ns/m2 = 1 Pa.s = 103 mPa.s hoặc 1 P (Poise) = 100 cP = 10-1 Ns/m2; + ðộ nhớt ñộng học ν:

1 m2/s = 106 mm2/s hoặc 1 St (Stoke) = 100 cSt = 100 mm2/s

Cả hai loại ñộ nhớt phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt ñộ và áp suất

Tính chất nhiệt ñộ - ñộ nhớt

Nhiệt ñộ càng tăng ñộ nhớt của chất lỏng càng giảm Chất lỏng thuỷ lực bị loãng ñi thì sức cản ma sát giảm, tuy nhiên khả năng tải của chất lỏng cũng giảm Tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ cho trường hợp dầu khoáng ở áp suất khí quyển có thể ñược biểu diễn bằng công thức thực nghiệm:

ϑ +

=ϑ

b

ke)(

hoặc theo dạng:

c

b)(

ν+

=ϑ

Hệ số k ñược tính bằng Ns/m2, các hệ số b, c ñược tính bằng 0C

Sự phụ thuộc mạnh của ñộ nhớt ñộng học vào nhiệt ñộ ñược thể hiện rõ hơn trên ñồ thị hình 1.5 ðặc biệt thấy rõ rằng, sự thay ñổi nhiệt ñộ ở vùng nhiệt ñộ thấp làm thay ñổi ñộ nhớt mạnh hơn ở vùng nhiệt ñộ cao Thí dụ với dầu khoáng:

Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 200C lên 300C, ñộ nhớt giảm từ 134,5 xuống 75,4 mm2/s; Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 600C lên 700C, ñộ nhớt giảm từ 20,7 xuống 14,9 mm2/s

ñộ VI của các dầu khoáng thông thường có giá trị ≈ 100, nếu bổ sung chất phụ gia có thể làm tăng giá trị VI

Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt

Áp suất tăng sẽ làm tăng ñộ nhớt của chất

lỏng thuỷ lực Chất lỏng trở nên ñặc hơn sẽ làm

tăng sức cản ma sát, tuy nhiên cũng làm tăng khả

năng tải Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt

cũng có thể ñược xác ñịnh từ công thức thực

nghiệm:

) p p ( o ) P

Trong ñó: η0 là ñộ nhớt ñộng lực học tại áp

suất p0; α (1/bar) là hệ số áp suất – ñộ nhớt, α phụ

thuộc vào cấu trúc dầu, ñộ nhớt và nhiệt ñộ, với

dầu khoáng α nằm trong khoảng (1,3 - 2,4).10-3

(1/bar)

Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt có

thể tra cứu từ biểu ñồ (hình 1.7) Từ biểu ñồ nhận

thấy rằng, ảnh hưởng của áp suất ñến ñộ nhớt ñộng

học không mạnh mẽ như ñối với nhiệt ñộ Khi

nhiệt ñộ ở khoảng 300C, áp suất tăng từ 1 ñến 300

bar, ñộ nhớt cũng chỉ tăng khoảng 2 lần

ở nhiệt ñộ cao áp suất có ảnh hưởng ñến ñộ

(HL 46, VI 100)

p=601 bar 401bar

0C 0,94

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….11

b) Tính ch ất khối lượng riêng

Khối lượng riêng của chất lỏng là

tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích của nó:

ñặc trưng ñể tính toán sức cản dòng chảy

có nghĩa là hao tổn dòng chảy và cũng là

thông số ñể tính toán hao tổn va ñập

trong ñường ống và các phần tử cấu trúc

Khối lượng riêng cũng phụ thuộc

vào nhiệt ñộ và áp suất Sự phụ thuộc

vào nhiệt ñộ và áp suất của khối lượng

riêng có thể ñược tra cứu rất thuận lợi từ

ñồ thị Hình 1.8 là một thí dụ biểu diễn

sự tăng khối lượng riêng khi tăng áp suất

và giảm khi tăng nhiệt ñộ Nhiệt ñộ và

áp suất ảnh hưởng ñến khối lượng riêng với mức ñộ không giống như ñối với ñộ nhớt ảnh hưởng của nhiệt ñộ và áp suất ñến khối lượng riêng cũng có thể ñược biểu diễn theo các công thức thực nghiệm

Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng

Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng có thể ñược mô tả theo công thức:

)(

1)(

0

0

ϑ

−ϑγ+

ρ

=ϑ

ρ (1.6)

Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và ϑ0 (0C) là khối lượng riêng và nhiệt ñộ trong ñiều kiện dẫn xuất, γ (1/K) là hệ số giãn nở nhiệt của dầu Nếu lấy nhiệt ñộ dẫn xuất là 150C thì công thức (1.5) trở thành:

)15(1)

−ϑγ+

ρ

=ϑ

ρ

Hệ số giãn nở nhiệt γ mô tả tính chất giãn nở của dầu tại áp suất không ñổi

p 0

VV

δ

=γ

Khi áp suất tăng thì hệ số giãn nở nhiệt γ sẽ giảm

Nếu giả thiết rằng, ñối với dầu khoáng tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng là tuyến tính ở trong vùng nhiệt ñộ hoạt ñộng (ñiều này là cho phép trong thực tế), thì hệ số giãn nở nhiệt có thể ñược xác ñịnh theo công thức:

)(

Từ các biểu thức trên có thể xác ñịnh ñược các mối quan hệ giữa lượng biến ñổi thể tích và khối lượng riêng của một chất lỏng thuỷ lực theo sự biến ñổi của nhiệt ñộ,:

∆V =V(ϑ)−V0 =γV0(ϑ−ϑ0)

))(

()

(ϑ −ρ0 =−γρ ϑ ϑ−ϑ0ρ

=ρ

∆Giá trị γ ở áp suất khí quyển có thể lấy tương ứng theo các loại dầu như sau:

dầu khoáng: 0,65.10-3 K-1dầu HFC; 0,70.10-3 K-1dầu HFD; 0,75.10-3 K-1Thí dụ dưới ñây làm rõ thêm sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ:

Dưới áp suất khí quyển, tăng nhiệt ñộ từ 15 ñến 650C (tăng 500C) thì khối lượng riêng giảm từ 0,877 xuống 0,847 g/cm3, có nghĩa là giảm xấp xỉ 3,4% Từ ñó cho thấy, gia tăng nhiệt ñộ lên 100C sẽ làm thay ñổi thể tích dầu khoảng 0,7%

Tính chất áp suất – khối lượng riêng

Tính chất áp suất – khối lượng riêng của chất lỏng thuỷ lực có ý nghĩa trong việc ñánh giá tính chất ñộng lực học của một thiết bị thuỷ lực Công thức dưới ñây mô tả tính chất áp suất – khối lượng riêng:

)pp(k1)p(

Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và p0 là các giá trị khối lượng riêng và áp suất ở ñiều kiện chuẩn;

k (1/bar) là hệ số nén, mô tả tính chất nén khi nhiệt ñộ không ñổi:

1k

0

Thông số tỷ lệ nghịch với k là mô ñun nén K = 1/k

Từ hình 1.8 cho thấy có thể tính toán quan hệ áp suất – khối lượng riêng theo quan hệ tuyến tính Do vậy hệ số nén ñược xác ñịnh theo:

)pp(V

Vk

Hệ số nén và mô ñun nén ñối với các loại dầu thuỷ lực ñược lấy như sau:

Dầu khoáng k = 0,7.10-4 1/bar); K = 1,4.104 bar;

Dầu HFC k = 0,3.10-4 1/bar; K = 3,3.104 bar;

Dầu HFD k = 0,35.10-4 bar; K = 2,85.104 bar

Tính chất nén của dầu thuỷ lực cần ñược ñặc biệt chú ý khi áp suất của hệ thống lớn hơn 150 bar Thí dụ dưới ñây làm sáng tỏ thêm ñiều ñó:

Nếu tăng áp suất từ 1 ñến 301 bar (tăng thêm 300 bar) tại nhiệt ñộ 150C thì khối lượng riêng tăng từ 0,877 ñến 0,982 g/cm3, có nghĩa là tăng 2,1%

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….13

Tương ứng thấy rằng, khi tăng áp suất thêm 100 bar thì thể tích dầu giảm ñi khoảng 0,7%

c) Kh ả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ lực

Không khí có thể ñược hàm chứa trong dầu thuỷ lực ở hai dạng:

- Không khí hoà tan;

- Không khí không hoà tan, có nghĩa là ở dạng bọt khí

Khi còn ở dạng hoà tan trong dầu, không khí không ảnh hưởng ñến tính chất của dầu thuỷ lực, có nghĩa là không làm thay ñổi ñến tính chịu nén của dầu Trong trạng thái bão hoà, dầu khoáng có thể hoà tan khoảng 9% thể tích không khí, có nghĩa là trong một lít dầu có thể hoà tan ñược 90 cm3 không khí Khả năng tiếp nhận không khí của dầu tăng khi áp suất tăng, trong khi sự thay ñổi của nhiệt ñộ lại hầu như không ảnh hưởng ñến khả năng này Khả năng tiếp nhận cực ñại ở dạng hoà tan của thể tích không khí có thể ñược tính theo ñịnh luật Henry:

0 d kk

p

pV

số quay thay ñổi theo dạng bậc, gây ồn, gãy hoặc mài mòn (xâm thực) Chính vì vậy cần phải thiết kế bộ phận tách bọt, mà trước hết là tách bọt trong thùng dầu

1.3 Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh

1.3.1 Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng

Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng lý tưởng ðây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi ñược nạp vào thùng chỉ truyền áp lực vuông góc với thành và ñáy thùng (hình 1.9) ðộ lớn của áp suất phụ thuộc vào cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ ñiểm ño ñến mặt thoáng của chất lỏng:

Khi tính toán các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác ñộng ngoài

Áp suất tạo ra từ lực ngoài (hình 1.10) ñược xác ñịnh theo biểu thức:

1.3.2 Chuyển ñổi năng lượng nhờ pít tông và xy lanh

Áp suất làm việc tạo ra trong thiết bị nâng trên hình 1.11 sẽ là:

2

2 1

1

A

FA

1

A

As

1

A

Av

v

= (1.14) Công dịch chuyển của chất lỏng khi ñó sẽ là:

Trong ñó Q là lưu lượng dòng chất lỏng

1.3.3 Chuyển ñổi năng lượng trong thiết bị thuỷ lực chuyển ñộng quay

Trên hình 1.12 trình bày sơ ñồ một bơm thuỷ lực cánh quay

Trong một vòng quay, cánh quay có diện tích A chuyển ñộng ñược quãng ñường 2πr

và cuốn theo một thể tích chất lỏng:

Hình 1.9 Phân bố áp suất trong

thùng chứa chất lỏng lý tưởng

Hình 1.10 Lực tác ñộng lên pít tông của một xy lanh thuỷ lực

Hình 1.11 Sơ ñồ thiết bị nâng thuỷ lực

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….15

rA2

Thể tích choán chỗ này của bơm và ñộng cơ thuỷ lực còn ñược gọi là thể tích làm việc Lưu lượng tính theo tần số quay sẽ là:

Q =Vn (1.19)

Nếu giả thiết rằng, bơm (1) và ñộng cơ

(2) của một truyển ñộng thuỷ lực hoạt ñộng

không có hao tổn thì lưu lượng bơm Q1 sẽ

bằng lưu lượng tiếp nhận của ñộng cơ Q2:

2 2 1 1 2

1

V

Vn

n

= (1.20)

Mô men quay sinh ra trong các máy

thuỷ lực chuyển ñộng quay (hình 1.12) sẽ là:

M =pAr (1.21)

trong ñó p là áp suất tạo ra trong bơm theo yêu cầu của tải trọng

Với

r2

VA

pV

hoặc:

n2

pQMπ

Cơ sở ñể tính toán các thiết bị thuỷ lực là các phương trình liên tục, phương trình Bernoulli cho chất lỏng thuỷ lực Các phương pháp tính toán sức cản dòng chảy, có nghĩa là các phương pháp tính toán hao tổn áp suất trong các ống dẫn có ý nghĩa quan trọng trong thực

tế

1.4.1 Phương trình liên tục

Dòng chảy dừng của chất lỏng lý tưởng thoả mãn ñịnh luật bảo toàn khối lượng: Lưu khối m&1chảy qua mặt cắt A1 luôn bằng với lưu khối m&2chảy qua mặt cắt A2 ðối với chất lỏng có khối lượng riêng không ñổi ñịnh luật này ñúng cho cả trường hợp chảy không dừng

Hình 1.12 Bơm thuỷ lực cánh quay

1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay

Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt ñường ống trong một ñơn vị thời gian ñược xác ñịnh theo:

m ρ&= Av (1.26)

Tương ứng hình 1.13, thoả mãn:

ρ1A1v1 =ρ2A2v2 (1.27)

ðối với chất lỏng có khối lượng

riêng không ñổi:

2 2 1

Hình 1.14 trình bày sơ ñồ dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau Phương trình Bernoulli viết cho trường hợp này như sau:

2 2

2 2 2 2 1 1

2 1 1

2

vp

gh2

2 1

2

vpgh2

v

hoặc tổng quát:

constgh

ρ

Thế năng vị trí của chất lỏng hầu như trong

tất cả các trường hợp ứng dụng của kỹ thuật thuỷ

lực thường ñược bỏ qua do có giá trị quá nhỏ so với

ñộng năng và áp năng Như vậy phương trình

Bernoulli trong kỹ thuật thuỷ lực có thể viết:

2

vp

2

=ρ

1.4.3 Hao tổn áp suất trong ñường ống

a) Các khái ni ệm cơ bản

Khác với chất lỏng lý tưởng, chất lỏng thực có tính chịu nén và ma sát, hơn nữa ma sát

có ý nghĩa chủ yếu ñể tính toán và ñánh giá các quá trình ñộng lực học với chất lỏng, ñặc biệt

Hình 1.13 Dòng chảy qua ống thu hẹp

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….17

ñể xác ñịnh sức cản dòng chảy khi chảy qua ñường ống hoặc các phần tử mạch thuỷ lực Trong chất lỏng thuỷ lực xuất hiện cả ma sát trong giữa các lớp chất lỏng với nhau và cả ma sát giữa chất lỏng với thành ống dẫn Như vậy ngoài các lực ñã biết còn xuất hiện thêm lực tiếp tuyến và ứng suất tiếp ứng suất tiếp ñược tạo ra do ma sát giữa các lớp chất lỏng và ñộ bám của chất lỏng với thành ống, từ ñó tạo ra sức cản, có nghĩa là hao tổn áp suất khi chất lỏng chảy qua ống dẫn Hao tổn áp suất tăng khi tăng ñộ nhớt của chất lỏng và do ñó hao tổn

áp suất trong các thiết bị thuỷ lực dầu cao hơn rất nhiều so với các thiết bị sử dụng môi chất có

1dl

R

ρλ

lp

pp

2 R 2 1

ρλ

∆p = p1 – p2 là hao tổn áp suất trong ñoạn ống l từ mặt cắt 1 ñến mặt cắt 2;

d - ñường kính trong của ống;

Re (1.35) với ν là ñộ nhớt ñộng học và η là ñộ nhớt ñộng

R e 0,010

0,012 0,014 0,016 0,020

0,04 0,03

0,05 0,06

R log 2

Hình 1.16 Biểu ñồ tổng hợp sức cản dòng chảy λR

Hình 1.17 Biểu ñồ tính toán sức cản dòng chảy thuỷ lực dầu

Trong kỹ thuật thuỷ lực dầu cũng phân chia thành hai trường hợp, chảy tầng và chảy rối Ngoài ra trong cả hai trường hợp cũng quan tâm ñến các quá trình chảy ñẳng nhiệt hay không ñẳng nhiệt ðối với các trường hợp môi chất có ñộ nhớt nhỏ như nước, không khí có thể tính toán với quá trình chảy ñẳng nhiệt, còn dầu thuỷ lực có ñộ nhớt rất cao nên chỉ có thể tính toán với quá trình không ñẳng nhiệt Tuy nhiên có thể tính toán gần ñúng với quá trình ñoạn nhiệt

Sự phụ thuộc của hệ số cản λR vào số Reynold ñã ñược Prandt và cộng sự và các nhà khoa học khác nghiên cứu ñầy ñủ Các kết quả nghiên cứu ñược tổng hợp trên hình 1.16 Do hai nguyên nhân dưới ñây mà việc sử dụng biểu ñồ này cho kỹ thuật thuỷ lực dầu sẽ gặp khó khăn Thứ nhất ở ñây không tính ñến tình trạng không ñẳng nhiệt nên không ñưa ra các số liệu hiệu chỉnh hao tổn áp suất vốn dĩ là quá lớn Thứ hai, cần quan tâm cả ñến vùng có số Reynold nhỏ nhưng ở ñây lại xuất phát từ Re=103

ðể tính toán trong lĩnh vực thuỷ lực dầu nên sử dụng biểu ñồ hình 1.17

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….19

Như vậy phân tố chất lỏng chịu tác ñộng của ñộ lệch áp lực:

(p1 – p2)πy2Tác ñộng ngược chiều là ứng suất tiếp trên diện tích xung quanh và lực 2πylτ

Phương trình cân bằng lực của phân tố sẽ là:

Trong ñó τ ñược tính theo ñịnh luật ma sát Newton:

dy

dvη

−

=τ

do ñó

2

yl

pdy

pv

Q π=

Thay thế vmax từ (1.39) sẽ dẫn ñến ñịnh luật Hagen và Poisseulle cho dòng chảy tầng, ñẳng nhiệt:

pl8

rQ

4

∆η

π

Thay v = Q/πr2 sẽ tính ñược ∆p:

vr

l8

Dòng chảy không ñẳng nhiệt

Dầu thuỷ lực có ñộ nhớt cao hơn nước khoảng 100 lần và ñộ nhớt dầu phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt ñộ ðộ nhớt ban ñầu cao dẫn ñến ma sát lớn, ñặc biệt giữa dòng dầu và thành ống, do ñó xuất hiện sự tăng nhiệt ñộ và tương ứng là sự giảm ñộ nhớt (hình 1.19)

ðiều này có hậu quả là làm giảm sức cản dòng chảy và cần phải chú ý ñến khi tính toán hao tổn áp suất

Theo Kahrs có thể áp dụng công thức (1.33) nếu ñưa vào hai yếu tố hiệu chỉnh:

+ Yếu tố KS (hình 1.20) tính ñến sự thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ nhớt theo các mặt cắt ngang và chủ yếu phụ thuộc vào tích số vận tốc dòng chảy trung bình v và ñộ nhớt ñộng lực học trung bình η tính theo nhiệt ñộ trung bình trên các mặt cắt ngang

+ Yếu tố KX (hình 1.21), tính ñến ảnh hưởng của thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ nhớt theo chiều dài ñường ống và phụ thuộc mạnh vào áp suất

Công thức hao tổn áp suất trong trường hợp chảy tầng không ñẳng nhiệt trở thành:

2

vd

lKKp

2 R X S

ρλ

=

Tích số v.ηTích số v.η

Hình 1.20 Yếu tố KS cho dòng chảy

ϑ

ðẳng nhiệt Không ñẳng nhiệt

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….21

c) Dòng ch ảy rối

Dòng chảy ñẳng nhiệt

So với chảy tầng, ñường cong vận tốc theo mặt cắt

ngang khi chảy rối ít lồi hơn nhiều (hình 1 22) Vận tốc

trung bình tại mặt cắt ngang có giá trị v ≈ (0,79

÷0,82)vmax

ðối với các môi chất có ñộ nhớt nhỏ như không

khí và nước, chuyển ñổi từ chảy tầng sang chảy rối diễn ra

ở một vùng rất hẹp của số Re, nằm rất gần với Re = 2320

(hình 1.16)

Trong các thiết bị thuỷ lực do dòng chảy hoàn toàn

có tính chất xung và do ñộ nhớt bị giảm thiểu cục bộ nên

quá trình chuyển tiếp rất khó ñược xác ñịnh chính xác

Nhiều trường hợp cần phải tính toán với vùng chuyển tiếp

rộng, có Re nằm trong khoảng 1900 ÷ 3000

Trong vùng chảy rối, sóng dọc của dòng chảy hàm chứa cả sóng ngang lan truyền không theo quy luật Tuy nhiên gần sát với thành ống xuất hiện một lớp giới hạn chảy tầng, ñược gọi là lớp bôi trơn Chiều dày lớp bôi trơn giảm khi số Re tăng Nếu chiều dày lớp giới hạn chảy tầng lớn hơn chiều cao nhám của thành ống, người ta gọi là ống nhẵn thuỷ lực Trường hợp này có sức cản thuỷ lực nhỏ hơn trong trường hợp ống nhám Trên hình 1.16 giới thiệu quan hệ giữa hệ số cản λR với Re cho trường hợp chảy rối Có thể nhận ra ñường cong ít cong hơn ñối với ống nhẵn thuỷ lực và các ñường cong do Colebrook và White xây dựng cho các ñường ống nhám với các giá trị chiều cao nhám K khác nhau, hoặc các giá trị d/K khác nhau Các ống thuỷ lực chính xác theo DIN 2391 có giá trị ñộ nhám rất nhỏ, K ≤ 0,01 mm, do

ñó khi tính toán người ta thường tính

theo ống nhẵn thuỷ lực

ðường cong λR cho ống nhẵn

thuỷ lực có thể ñược mô tả theo công

thức Prandt:

51,2

Relog2

R

λ

=λ

(1.44) ðối với kỹ thuật thuỷ lực dầu

có thể sử dụng ñủ chính xác với công

thức Blasius:

25 , 0

và hình 1.17 Biểu ñồ trên hình 1.16 khái quát một cách tổng thể về các ñường cong hệ số cản khi chảy tầng và chảy rối và về ảnh hưởng của ñộ nhám khi chảy rối

Biểu ñồ hình 1.17 ñặc biệt thích hợp ñể tra cứu hệ số cản dòng trong kỹ thuật thuỷ lực ñối với số Reynold nhỏ

Dòng chảy không ñẳng nhiệt

Trong trường hợp chảy rối có thể tính ñến tính chất không ñẳng nhiệt nhờ bổ sung yếu

lkp

2 R t

ρλ

ra những biểu thức toán học thoả mãn tổng quát ñể tính toán sức cản ñối với các phần tử này, bởi vì rất nhiều trường hợp xuất hiện cả chảy tầng lẫn chảy rối

ðể tính toán hao tổn áp suất trong các phần tử ñường ống có thể sử dụng công thức:

2

vp

2

ξρ

=

Hệ số cản cục bộ ξ có thể xác ñịnh bằng thực nghiệm cho các phần tử tiêu biểu Một

số giá trị ξ ñối với các trường hợp trên hình 1.24 và hình 1.25 ñược cho trên các bảng 1.4 ñến bảng 1.7

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….23

Bảng 1.4 Giá trị ξξξξ cho ống cong (hình 1.24a)

Ngoài ra ñối với dòng chảy rối có

thể giả thiết hệ số cản ξ là không ñổi

Trong vùng chảy tầng ξ tăng mạnh khi

Re giảm Theo Chaimowitsch nên bổ

sung một yếu tố hiệu chỉnh:

2

vbp

2

ξρ

=

∆ (1.48) Trong ñó yếu tố hiệu chỉnh b có

1.4.4 Hao tổn áp suất trong van

và các thiết bị thuỷ lực

ðặc biệt, nếu một thiết bị thuỷ

lực có số lượng lớn các van và các bộ

phận thuỷ lực thì cần phải tính ñến hao

tổn áp suất sinh ra từ những phần tử này

Thông thường người ta sử dụng các

ñường ñặc tính dòng chảy ñã cho trước

của các hãng sản xuất

1.4.5 Lưu lượng qua van tiết lưu

Van tiết lưu ñược ứng dụng trong kỹ thuật thuỷ lực ña số ở dạng các lỗ khoan ñơn giản hoặc là các tấm chắn tiết lưu Các van tiết lưu ñiều chỉnh ñược cũng ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi Nhiệm vụ của tiết lưu và tấm chắn là ñiều tiết một lưu lượng dầu không ñổi hoặc ñiều chỉnh sao cho các phụ tải nhận ñược từ ñó một lưu lượng dầu cần thiết Dạng tấm chắn cũng thường ñược sử dụng, ví dụ trong các van dòng, ñể ño lưu lượng

ðối với tấm chắn biểu diễn trên hình

1.27 thoả mãn phương trình liên tục và

phương trình Bernoulli, khi không tính ñến

hao tổn dòng

2

vpp

p1− 2 =∆ = ρ 2 (1.49)

v4

dvA

Q

2 D

D

dA

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….25

Hệ số giãn nở ε mô tả hao tổn khi dòng chất lỏng giãn nở sau tấm chắn Hiện tượng này xảy ra ñặc biệt mạnh ñối với chất lỏng chịu nén Trong kỹ thuật thuỷ lực dầu có thể bỏ qua

Như vậy có thể tính toán lưu lượng dầu qua tấm chắn ñủ chính xác và phù hợp với thực tế bằng công thức:

ρ

∆α

1.4.6 Hao tổn lọt dòng qua khe hẹp

Trong hệ thống thuỷ lực luôn xuất hiện dòng lọt dầu qua các khe hở, thí dụ giữa pít tông và xy lanh của các máy thuỷ lực hoặc van hành trình, giữa ñế trượt và ñĩa lắc hoặc là giữa các khe hở ñiều khiển và vỏ các máy thuỷ lực pít tông Dòng dầu lọt ñảm nhận việc bôi trơn các phần tử, tuy nhiên cũng làm hao tổn năng lượng Ngoài ra hao tổn lọt dòng – kể cả khi dầu không lọt ra ngoài mà chỉ lọt bên trong máy hoặc bên trong một mạch thuỷ lực - cũng ảnh hưởng ñến tính chất hoạt ñộng của thiết bị và là nguyên nhân của nhiễu Do ñó trong tính toán cần chú ý ñến hiện tượng này Dưới ñây là các công thức tính toán ñối với một số dạng khe hở tiêu biểu trong kỹ thuật thuỷ lực (hình 1.28)

Hình 1.28 Các dạng khe hở tiêu biểu trong kỹ thuật thuỷ lực

Các công thức tính toán hao tổn lọt dòng ñược xây dựng với giả thiết khe hở tương ñối rộng, có bề dày nhỏ hơn 20 µm và dòng chảy tầng ñẳng nhiệt

a) Khe hở phẳng:

l

pp12

b

3 L

−η

d

L

−η

δπ

c) Khe hở lệch tâm

)5,11(l

pp12

pp128

d

4 L

−η

π

Khi tính toán hao tổn lọt dòng qua khe hở cần chú ý rằng, trong thực tế thường cần tính toán theo dòng chảy không ñẳng nhiệt, khi ñó hao tổn lọt dòng tăng do dầu thuỷ lực bị hâm nóng dẫn ñến giảm ñộ nhớt Ngược lại nhiễu chảy rối ở cửa vào tạo ra ma sát trong lớn hơn sẽ làm cho hao tổn lọt dòng nhỏ ñi

Xuất phát từ quan ñiểm này cần phải thường xuyên chú ý rằng, bề rộng khe hở và cả hao tổn lọt dòng có thể thay ñổi trong khi hoạt ñộng do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của các phần tử

Sự thay ñổi bề dầy khe hở ∆δ giữa pít tông và xy lanh có thể tính toán theo công thức:

)(

d βxyl.∆ϑxyl. −βpis.∆ϑpis.

=δ

Các lực như vậy có thể ñược xác ñịnh nhờ ñịnh luật xung ðịnh luật xung có thể giải quyết rất nhiều bài toán và ñược trình bày trong rất nhiều công trình về cơ học chất lỏng Do ứng dụng của ñịnh luật xung trong các thiết bị thuỷ lực không nhiều, nên trong tài liệu này chỉ giới thiệu các công thức cho các trường hợp quan trọng nhất ñể ứng dụng tính toán lực tác ñộng lên các phần tử cấu trúc thuỷ lực

ðối với các phần tử tiêu biểu trên hình 1.29 lực tác ñộng thoả mãn các công thức sau: a) Lực va ñập vào một tấm phẳng

αρ

trong trường hợp α = 900: F=ρQv=ρAv2 (1.60) b) Lực trên ống cong:

2cos)QvpA(2

c) Lực tác dụng lên vỏ vòi phun

2 1

2

)1(A2

Q

p

A

α F

Q

v

QvA

A2

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….27

Hình 1.29 Lực dòng chảy tại các phần tử cấu trúc

a) T ấm phẳng ; b) ống cong ; c) Vòi phun

1.5 Ký hiệu mạch thuỷ lực

Tương tự như trong kỹ thuật ñiện, trong kỹ thuật thuỷ lực cũng có thể xây dựng các sơ

ñồ mạch nhờ các ký hiệu mạch Ký hiệu mạch thuỷ lực ñã từng ñược tiêu chuẩn hoá quốc tế, nhưng hiện nay ñã có thay ñổi ñôi chút ở Việt Nam hiện chưa thấy tiêu chuẩn nhà nước về ký hiệu mạch thuỷ lực Trong tài liệu này chúng tôi giới thiệu tiêu chuẩn DIN-ISO 1219, một tiêu chuẩn mạch thuỷ lực ñang ñược sử dụng phổ biến nhất ở Công hoà Liên bang ðức và Châu

Âu, nơi có kỹ thuật thuỷ lực phát triển nhất trên thế giới

Trên bảng 1.8 ñến 1.10 giới thiệu khái quát một số ký hiệu mạch quan trọng nhất trong một sơ ñồ mạch thuỷ lực

Bảng 1.8 Ký hiệu bơm, ñộng cơ và xy lanh thuỷ lực

Bơm và ñộng cơ thuỷ lực

Bơm có thể tích

làm việc không ñổi Thể tích làm việc không ñổi Cung cấp một chiều

Truyền lực từ ñộng cơ ñiện Bơm có thể tích

làm việc không ñổi Thể tích làm việc không ñổi Cung cấp hai chiều

Xy lanh tác ñộng

kép có giảm chấn Giảm chấn cả hai phía và ñiều chỉnh ñược

Xy lanh ống lồng Tác ñộng một phía

Tác ñộng trả về nhờ lực ngoài

Bảng 1.9 Ký hiệu van thuỷ lực

Van phân phối

Van phân phối 3/2 3 ñầu nối

2 vị trí mạch Van phân phối 4/3 4 ñầu nối

Van phân phối 4/3 Tác ñộng trực tiếp bằng thuỷ lực

Tác ñộng gián tiếp bằng thuỷ lực nhờ ñiều

khiển trước

Tác ñộng ñiện từ Trả về bằng lò xo Van hành trình 4/3 Không tiết lưu 2 vị trí mạch cuối cùng

Tiết lưu Nhiều vị trí mạch trung gian bất kỳ

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….29

Van ñiều chỉnh

áp suất tỷ lệ Gữ tỷ lệ áp suất ñường vào và ñường ra không ñổi

Van chặn, van dòng

Van chặn ñường về Chặn nếu áp suất ra lớn hơn áp suất vào

Van tiết lưu Tiết lưu dòng dầu nhờ làm hẹp mặt cắt dòng

chảy Van ñiều chỉnh

dòng hai ngả

Giữ dòng dầu ra không ñổi nhờ ñiều chỉnh Trả dầu thừa về thùng qua van tiết lưu Van ñiều chỉnh

dòng 3 ngả Giữ dòng dầu không ñổi Dẫn dầu thừa về thùng

Van chia dòng Chia dòng theo tỷ lệ xác ñịnh không phụ

thuộc vào áp suất

Bảng 1.10 Ký hiệu ñường ống và các bộ phận thuỷ lực

ðường làm việc ỗng dẫn dầu ñể truyền năng lượng

ðường ñiều khiển ðường dầu ñể truyền năng lượng ñiều khiển

ðường lọt dầu ðường dẫn dầu lọt

ðường uốn ðường dầu mềm, thí dụ ống mềm áp suất

cao Nối ống dẫn Nối cứng, hàn, tán, ghép ren

Nối nhanh Nối nhờ van chặn mở cưỡng bức

Mở ñóng van chặn Thùng dầu

Tích áp thuỷ lực Tích luỹ năng lượng thuỷ lực

Bình lọc

Làm mát

Ngoài hai bánh công tác trên ñây - bánh bơm và bánh tua bin - trong truyền lực thủy ñộng có thể còn có thêm bánh công tác cố ñịnh, ñược gọi là bánh phản lực hay bánh dẫn hướng Vai trò của bánh phản lực dùng ñể thay ñổi lưu lượng dòng chất lỏng chảy qua nó và tiếp nhận các mô men phản lực từ thân bộ truyền ñộng Nhờ bánh phản lực bộ truyền thủy ñộng có thể thay ñổi trị số mô men cần truyền và người ta gọi bộ truyền như vậy là bộ biến ñổi mô men quay hay còn gọi tắt là bộ biến mô (BðM)

Sơ ñồ kết cấu của các bộ truyền thủy ñộng ñược trình bày trên hình 2.1

Bộ truyền thủy ñộng ñơn giản nhất (hình 2.1a) gồm hai bánh công tác ă bánh bơm và bánh tua bin, bộ truyền như vậy ñược gọi là khớp thủy lực hay ly hợp thủy lực Trị số mô men

Hình 2.1 Nguyên lý kết cấu các bộ truyền ñộng thuỷ ñộng

a) Ly hợp thủy lực ñơn giản; b) Ly hợp thủy lực có vách ngăn; c) Ly hợp thủy

lực có buồng thoát; d) Bộ biến mô một cấp có tuốc bin hướng tâm; e) Bộ biến

mô một cấp có tuốc bin dọc trục; f) Bộ biến mô có tuốc bin ly tâm; g) Bộ truyền thủy ñộng phối hợp có một bánh phản lực; h) Bộ truyền thủy ñộng phối hợp với

hai bánh phản lực; i) Bộ biến mô hai cấp; k) Bộ biến mô ba cấp

1- Bánh bơm; 2- Bánh tuốc bin;

- Bánh phản lực; 4- Cơ cấu vách ngăn;

5- Buồng thoát; 6- Khớp một chiều

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….30

chủ ñộng M1 ñược truyền bằng bơm 1 và mô men bị ñộng M2 tiếp nhận ñược ở bánh tua bin 2 luôn luôn bằng nhau M1 = M2

ðể cải thiện tính chất truyền ñộng của bộ truyền thủy ñộng, trên các thiết bị tự hành người ta thường áp dụng các ly hợp thủy lực có sơ ñồ phức tạp hơn Phổ biến nhất là ly hợp thủy lực có vách ngăn (hình 2.1,b) và ly hợp có buồng thoát (h 2.1, c) Các ly hợp có vách

ngăn và có buồng thoát hạn chế ñược việc tăng hệ số mô men khi tải trọng ngoài tăng lên, nhờ

ñó giúp cho ly hợp làm việc thuận lợi với ñộng cơ của các thiết bị tự hành

Các bộ truyền thủy ñộng phức tạp nhất là các bộ truyền có ba bánh công tác (h 2.1, d,

e, f): bơm 1, tua bin 2 và bánh phản lực

Bộ truyền như vậy có khả năng biến ñổi mô men truyền qua nó nhờ bánh phản lực tiếp nhận phản lực M

ở các bộ truyền này, mô men quay trên trục tua bin bằng tổng mô men của bơm và mô men trên bánh phản lực:

M2 =M1+M

Chính vì vậy bộ truyền này ñược gọi là bộ biến ñổi mô men thủy ñộng

Bộ biến mô trong ñó chỉ có một tua bin ñược gọi là bộ biến mô một cấp Phụ thuộc vào tính chất của tải trọng ngoài và trị số biến ñổi mô men khi hiệu suất của bộ truyền ñạt cực ñại, người ta áp dụng các loại tua bin khác nhau: tua bin hướng tâm, tua bin dọc trục và tua bin ly tâm ở loại tua bin hướng tâm, dòng chất lỏng chảy từ vùng biên hướng vào tâm quay, chiều của dòng chất lỏng ñược chỉ bằng chiều của mũi tên như trên hình vẽ Bánh tua bin trong trường hợp này ñược lắp ñối diện với bánh bơm Bánh tua bin dọc trục (h 2.1, e) ñược lắp ở vùng ngoài biên trong mặt phẳng làm việc, như vậy chất lỏng chảy qua nó có hướng song song với trục quay của tua bin và bơm Bánn tua bin ly tâm (h 2.1, f) ñược phân bố phía trên bánh bơm và dòng chất lỏng chảy qua nó cũng giống như trong bánh bơm có chiều từ tâm hướng ra vùng ngoại biên Khi thay ñổi loại bánh tua bin thì vị trí lắp bánh phản lực cũng cần phải thay ñổi

Trong trường hợp khi thay ñổi loại bánh tua bin nhưng không nhận ñược tính chất cần thiết của bộ biến mô, người ta sẽ dùng bộ biến mô hai cấp (h 2.1, i) với hai bánh tua bin, giữa chúng có lắp một bánh phản lực, hoặc ba cấp (h 2.1, k) với ba bánh tua bin và hai bánh phản lực

Trong các bộ biến mô hai cấp hay ba cấp, các bánh tua bin có thể ñược làm ở dạng hướng tâm hay ly tâm ở các bộ biến mô, trong ñó ñộng năng của dòng chất lỏng ñươc sử dụng phối hợp giữa dòng dọc trục và dòng hướng tâm ñược gọi là biến mô tua bin kép

2.1.2 ðặc tính của truyền ñộng thuỷ ñộng

Tính chất của bộ truyền thủy ñộng ñược xác ñịnh bởi các ñường ñặc tính Rõ ràng bộ truyền thủy ñộng là bộ truyền tự ñộng và vô cấp ðể ñánh giá sự làm việc của bộ truyền ngoài hiệu suất cần xác ñịnh ñường ñặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa sự thay ñổi tải trọng ñược

truyền và chế ñộ làm việc ðường ñặc tính này ñược gọi là ñường ñặc tính tải trọng ngoài hay ñường ñặc tính biến ñổi dung năng

ðặc tính hiệu suất và ñặc tính tải trọng ngoài là hai ñặc tính cho ta khái niệm rõ ràng

về tính chất của một bộ ly hợp thủy lực

ðể xác ñịnh tính chất của bộ biến mô cần sử dụng cả ñường ñặc tính biến ñổi mô men§, thể hiện sự thay ñổi hệ số biến ñổi mô men phụ thuộc chế ñộ làm việc ðặc tính này thực chất là ñạo hàm của ñặc tính hiệu suất , nhưng thể hiện ñầy ñủ về sự thay ñổi trị số biến

mô và thuận tiện khi kiểm tra, tính toán các tính năng làm việc của máy

Các ñường ñặc tính như vậy ñược gọi là các ñường ñặc tính €không thứ nguyên

có dạng như trình bày trên hình 2.2 Trong ñó biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số riêng của bộ truyền thủy ñộng không liên quan ñến giá trị tuyệt ñối của chúng với số vòng quay của trục chủ ñộng (số vòng quay của trục bơm) ðường ñặc tính không thứ nguyên ñược xây dựng theo hàm tỷ số truyền ñộng i, là tỷ số giữa số vòng quay của trục bị ñộng n2 và trục chủ ñộng

n1

(2.1)

ðể xác ñịnh chế ñộ làm việc của ly hợp thủy lực, người ta áp dụng cả thông số ñộ trượt riêng S, ñặc trưng cho số vòng quay của trục bị ñộng tính bằng phần trăm so với trục chủ ñộng ðộ trượt S có thể ñược tính bằng một trong các công thức sau:

;

Thông số cơ bản của ñặc tính tải trọng là hệ số mô men , có thứ nguyên là

Ph2/m.vòng2, và ñược tính tương tự như trong thủy ñộng lực học:

Tính chất của bộ biến mô ñược ñặc trưng bởi hệ số biến ñổi mô men quay K (còn gọi

là tỷ số truyền lựcc) Rõ ràng rằng tỷ số truyền ñộng i và tỷ số truyền lực K là hai khái niệm khác nhau ðây là một ñiểm khác biệt giữa truyền ñộng thủy lực và truyền ñộng cơ khí

K =, (2.4)

Hiệu suất của bộ truyền là một thông số riêng, nó ñược xác ñịnh bằng công thức sau: , (2.5)

Trong ñó: N1 là công suất truyền ñến trục chủ ñộng của bộ truyền thủy ñộng

N2- công suất truyền ñến trục bị ñộng của bộ truyền thủy ñộng

Như trình bày trên ñây, ñặc tính của tính chất biến ñổi mô men quay là ñạo hàm của ñặc tính hiệu suất Hệ số biến mô của bộ truyền thủy ñộng ở chế ñộ làm việc bất kỳ có thể ñược tính theo công thức sau:

, (2.6)

Trên hình 2.2, a trình bày ñặc tính của ly hợp thủy lực ñơn giản ở ñây hệ số mô men

tăng lên khi giảm tỷ số truyền ñộng i (hay tăng ñộ trượt S) Khi tỷ số truyền ñộng i tăng gần

bằng 1, hệ số mô men giảm ñột ngột và khi i =1, hệ số mô men bằng 0 Hiệu suất của ly hợp

thủy lực tăng tuyến tính với tỷ số truyền ñộng i Ly hợp thủy lực không biến ñổi ñược mô men

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….32

truyền qua nó và tất nhiên hệ số biến mô của ly hợp thủy lực bằng 1, khi ñó theo công thức 2.6 ta có:

= i

Quan hệ này của ñường ñặc tính cho ta cơ sở ñể khẳng ñịnh rằng mất mát thủy lực trong các bộ truyền thuỷ lực là do trượt Mất mát trong truyền lực thủy lực càng lớn khi ñộ trượt càng cao Trong thực tế mô men trên trục bị ñộng của ly hợp thủy lực luôn luôn nhỏ hơn

mô men trên trục chủ ñộng ðiều ñó ñược giải thích do có sự thay ñổi dòng chảy và sự giảm ñột ngột hiệu suất của ly hợp khi tỷ số truyền ñộng gần bằng 1, khi ñó mất mát mô men ñược quy ước bằng với mô men truyền qua ly hợp và hiệu suất của nó bằng không

Thông thường ở các ly hợp thủy ñộng hiệu suất thường ñạt giá trị cực ñại tương ứng

với tỷ số truyền ñộng i = 0, 97 Giá trị hệ số mô men ở chế ñộ làm việc này gọi là hệ số mô men danh nghĩa và ñược ký hiệu bằng hệ số mô men có chỉ số c ) Tỷ số giữa hệ số mô men

cực ñại và hệ số mô men danh nghĩa Error! Bookmark not defined.ứng với i = 0, 97 có ảnh

hưởng rất lớn ñến sự làm việc của ly hợp thủy ñộng khi làm việc với ñộng cơ ôt ô, máy kéo

Tỷ số này ñược gọi là hệ số tăng mô men :

(2.7)

ðể xác ñịnh sự thay ñổi ñặc tính tải trọng ngoài của ly hợp thủy lực, trong nhiều công trình nghiên cứu người ta sử dụng chỉ số về ñộ cứng của ñặc tính tải trọng ngoài, ñược xác ñịnh bằng hệ số thay ñổi tỷ lệ của hệ số mô men với tỷ số truyền ñộng i khi làm việc ở chế ñộ

ñã cho Tuy nhiên ñộ cứng của ñặc tính tải trọng ngoài không thể hiện rõ quan hệ giữa hệ số

mô men Error! Bookmark not defined.và của ñặc tính tải trọng

Giá trị của hệ số tăng mô men của ly hợp thủy lực có thể ñạt tới giá trị bằng 9 hoặc lớn

hơn phụ thuộc vào kích thước của bộ truyền Trong hệ thống truyền lực của ôtô máy kéo, ly

Hình 2.2 Các ñường ñặc tính không thứ nguyên của truyền ñộng thủy ñộng

a) Ly hợp thủy lực ñơn giản; b) Ly hợp thủy lực có vách ngăn;

c) Ly hợp thủy lực có buồng thoát; d) Bộ biến mô

i- Tỷ số truyền ñộng; S - ðộ trượt của trục bị ñộng; λ - Hệ số mô men trên trục chủ ñộng; η- Hiệu suất của bộ truyền; K- Hệ số biến mô; ηmax- Hiệu suất cực ñại; K 0 ăHệ

số biến mô ở chế ñộ khởi hành; λM - Hệ số mô men ứng với chế ñộ hệ số biến mô bằng 1; λ*- Hệ số mô men ứng với chế ñộ làm việc có hiệu suất cực ñại; λC - Hệ số mô men ứng với ñiểm làm việc trùng hợp với công suất danh nghĩa của ñộng cơ; λ0,λmax- Hệ số

mô men ứng với chế ñộ khởi hành và hệ số mô men cực ñại

hợp thủy lực với hệ số tăng mô men như vậy không ñược sử dụng vì khi tăng lực kéo trên

móc máy kéo bộ truyền thủy ñộng có thể làm quá tải và dẫn ñến làm chết ñộng cơ Các bộ

truyền thủy ñộng có hệ số tăng mô men lớn thường chỉ sử dụng ở các bộ dẫn ñộng cho các bộ

phận phụ trợ như quạt gió, bơm dầu v.v€

ðặc tính của các ly hợp thủy lực có cơ cấu vách ngăn trình bày trên hình 2.2, b, hệ số

t ăng mô men ở ñây nhỏ hơn một ít và thường có giá trị bằng khoảng , 5 ðặc ñiểm của bộ ly hợp này là sự thay ñổi trong một miền rộng chế ñộ làm việc khi hệ số

mô men thay ñổi tỷ lệ thuận với ñộ trượt, vì vậy ly hợp thủy lực loại này bảo ñảm cho các thiết bị tự hành có tính năng ñộng lực cao khi khởi hành và nó ñược áp dụng tương ñối rộng rãi

ðặc tính của ly hợp thủy lực có buồng thoát ñược trình bày trên hình 2.2, c Trong ñó

h ệ số mô men thấp hơn loại trên, thường bằng 2, 5 Các bộ ly hợp này làm việc tốt với ñộng

cơ ñiêzel khi ñặc tính tải trọng ngoài có nhánh ñiều chỉnh ðặc ñiểm của ly hợp loại này có sự

thay ñổi hệ số mô men cực ñại ở vùng tỷ số truyền ñộng gần bằng 1 Bộ ly hợp như vậy ñảm

bảo cải thiện tính năng ñộng lực khi khởi hành của xe máy, ñồng thời ñảm bảo rời chỗ êm dịu cho liên hợp máy

ðặc tính của bộ biến mô ñược trình bày trên hình 2.2, d Ngoài các ñặc tính về hiệu suất , ñặc tính tải trọng trong ñó còn biểu diễn ñường cong biến ñổi mô men quay K ðặc tính hiệu suất của bộ biến mô khác với ly hợp thủy lực là không tuyến tính mà là ñường cong dạng parabol ðiều ñó chứng tỏ rằng mất mát công suất trong bộ biến mô là tổng của hai dạng mất mát: mất mát do trượt và mất mát do giảm mô men quay qua bộ truyền

ðặc tính của bộ biến mô có thể ñược ñánh giá bằng các thông số sau:

- Giá trị hiệu suất cực ñại của bộ truyền;

K0 ă Hệ số biến mô ở chế ñộ khởi hành;

- hệ số mô men khi k=1, ñược xác ñịnh dung năng của bộ biến mô;

- Hệ số tăng mô men, ñặc trưng cho sự thay ñổi ñặc tính tải trọng ngoài của bộ truyền

H ệ số tăng mô men là một trong các thông số quan trọng nhất của bộ biến mô, nó xác

ñịnh tính thích ứng của bộ biến mô ñể làm việc với các thiết bị tự hành công dụng khác nhau

Theo hệ số tăng mô men của ñặc tính tải trọng ngoài, người ta chia bộ biến mô ra làm ba loại:

bộ biến mô có hệ số tăng mô men khi = 1,7 ÷ 2,6; bộ biến mô có hệ số tăng mô men một nửa khi = 1,45 ÷ 1, 65 và bộ biến mô không có hệ số tăng mô men khi =1, 4 và thấp hơn

Các thông số về ñặc tính của bộ biến mô có quan hệ với nhau và ñược xác ñịnh bởi dạng hình học của các cánh bánh công tác

Hiện nay phổ biến nhất là các bộ biến mô có tua bin với cánh hướng tâm (hình 2.1dh) Chúng ñơn giản về kết cấu, có hiệu suất cao và bảo ñảm nhận ñược ñặc tính tải trọng phù hợp Khi làm việc ở vùng hiệu suất cao, hệ số mô men trong khoảng 1, 7 ă 2,6, hệ số biến mô ở chế

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….34

Bộ biến mô một cấp có bánh tua bin hướng tâm có kết cấu ñơn giản và tiết kiệm Chúng ñược dùng trên nhiều thiết bị tự hành Tuy nhiên chúng không có tính chất chuyên dụng cao ñể làm việc với các máy có trang bị các thiết bị chuyên dụng như phanh thủy lực, ly hợp khóa v.v ñể hoàn thành các công việc ñặc biệt như xúc ñất, san ủi, ñào mương v.v

Trên một số máy chuyên dụng như máy ñào mương, làm ñường cần trang bị bộ biến

mô có ñặc tính tải trọng với hệ số tăng mô men bằng không ( và có hệ số biến mô cao Trong

các trường hợp như vậy người ta áp dụng bộ biến mô một cấp có tua bin ly tâm (hình 2.1f), chúng bảo ñảm hệ số biến mô ở chế ñộ khởi hành trong khoảng 4÷6 Tuy nhiên các bộ biến

mô này ñược sử dụng rất hạn chế

Khi cần nhận ñược hệ số biến mô cao kết hợp với ñặc tính tải có hệ số tăng mô men

người ta áp dụng bộ biến mô ba cấp, trong ñó gồm một tua bin dạng ly tâm và hai tua bin

hướng tâm ở chế ñộ khởi hành chúng có hệ số biến mô cao tới 5,5-6,0 khi hệ số tăng mô men

từ 1,2 -2, 5 Các bộ biến mô này ñược áp dụng trên các máy làm ñường, cạp ñất, và làm việc trong hầm mỏ v.v

Khi so sánh các ñặc tính của bộ biến mô và của ly hợp thủy lực (xem h 2.2) thấy rằng trong vùng làm việc có hiệu suất cao, tỷ số truyền ñộng i của ly hợp thủy lực và của bộ biến

mô có giá trị khác nhau Từ ñó nảy sinh ý tưởng chế tạo ra một bộ truyền phối hợp (hình 2.1,

h), ñó là bộ truyền kết hợp ñược tính chất của hai bộ truyền thủy ñộng ă ly hợp thủy lực và bộ biến mô ñể có hiệu suất cao trong vùng tỷ số truyền ñộng i thay ñổi rộng hơn ðặc ñiểm về kết cấu của bộ biến mô phối hợp là các bánh phản lực không lắp cố ñịnh mà ñược lắp trên các khớp vượt và sử dụng tua bin dạng hướng tâm lắp ñối diện với bánh bơm Khớp vượt cho phép chèn cứng bánh phản lực với trục liên kết cứng với thân máy, khi ñó bộ truyền thủy ñộng làm việc ở chế ñộ bộ biến ñổi mô men quay Khi khớp vượt giải phóng cho bánh phản lực quay tự do, bộ biến mô làm việc ở chế ñộ ly hợp thủy lực Quá trình chuyển từ chế ñộ biến mô sang chế ñộ ly hợp ñược thực hiện tự ñộng phụ thuộc vào tỷ số truyền ñộng i của bộ biến mô (tỷ số quay tương ñối giữa hai trục chủ ñộng và bị ñộng của bộ biến mô) Áp dụng

tua bin hướng tâm cho phép nhận ñược hệ số mô men lớn khi làm việc ở chế ñộ ly hợp Như trình bày trên hình 2., a ñặc tính của bộ truyền phối hợp ñược biểu diễn bằng ñường nét liền

ðể mở rộng thêm vùng làm việc của bộ truyền thủy ñộng có hiệu suất cao, bánh phản lực ñôi khi ñược chế tạo thành các bánh riêng biệt (hình 2.1, i), gồm hai bánh rời nhau, mỗi bánh ñược lắp trên một khớp vượt riêng

Hình 2

ðặc tính của các bộ truyền phối hợp

a) Bộ truyền hai pha; b) Bộ truyền ba pha

Khi tỷ số truyền ñộng nhỏ cả hai bánh phản lực ñều ñược nêm chặt và làm việc như một bánh duy nhất Khi tăng tỷ số truyền ñộng tăng lên, bánh thứ nhất lắp sau tua bin bắt ñầu ñược giải phóng và quay theo dòng chất lỏng Bộ truyền tiếp tục làm việc như bộ biến mô song có hệ số biến mô nhỏ Nếu tiếp tục tăng tỷ số truyền lên gần bằng 1, bánh phản lực thứ hai lắp sau bánh bơm ñược giải phóng nốt, lúc này bộ truyền làm việc như bộ ly hợp ðặc tính của bộ truyền như vậy ñược trình bày trên hình 2

b Trên ñó bao gồm ba ñường ñặc tính của ba bộ truyền thành phần: bộ biến mô có tính chất biến mô cao, bộ biến mô có tính biến mô thấp và bộ ly hợp thủy lực (không biến ñổi mô men truyền qua nó) Bộ truyền có ñặc tính như vậy còn ñược gọi là bộ truyền thủy lực nhiều pha

Mỗi pha truyền lực ñược xác ñịnh bằng số lượng các bộ truyền thành phần có trong bộ truyền

ph ối hợp

2.1

Hệ thống cung cấp dầu và dầu dùng trong các bộ truyền thủy ñộng

Quá trình làm việc của bộ biến mô liên quan với sự thay ñổi hướng chuyển ñộng, trị số tốc ñộ và áp lực của chất lỏng chuyển ñộng trong vòng tuần hoàn giữa các rãnh của bánh công tác Khi giảm áp suất dầu cung cấp, ở một vùng nào ñó trong vòng tuần hoàn áp suất dầu giảm xuống thấp hơn áp lực của hơi trong thể tích bộ truyền, ở ñó sẽ ñược ñiền ñầy khí lẫn trong chất lỏng làm việc Sự tạo thành khí như vậy dẫn ñến làm giảm diện tích tiết diện thông qua của các rãnh trong bánh công tác và làm giảm lưu lượng chất lỏng làm việc trong một vòng tuần hoàn Sự giảm lưu lượng làm xấu ñặc tính của bộ biến mô và trước hết là giảm hiệu suất Nếu tiếp tục giảm áp suất của dầu sẽ làm tăng thể tích hơi trong bộ truyền và xuất hiện hiện tượng rung trong bộ truyền, dẫn ñến bộ truyền làm việc không ổn ñịnh Khi bộ biến mô làm việc ở chế ñộ này sẽ xuất hiện các tiếng rít ñặc trưng Vùng thường hay xuất hiện sự làm việc không ổn ñịnh của bộ biến mô là vùng tỷ số truyền ñộng i nhỏ

ðể giảm sự ổn ñịnh và loại bỏ ảnh hưởng của nó ñến ñặc tính của bộ biến mô, chất lỏng làm việc cần ñược cung cấp vào trong bộ biến mô dưới một áp lực nhất ñịnh Áp suất cung cấp phụ thuộc vào loại biến mô, vị trí dẫn dầu vào, chế ñộ làm việc và thường ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm trên bàn khảo nghiệm chuyên dụng ðể thực hiện việc ñó bộ biến mô ñược khảo nghiệm ở chế ñộ khởi hành với số vòng quay của trục chủ ñộng ñã cho và áp suất cung cấp ñược thay ñổi khác nhau ðể có thông số ñánh giá người ta chọn hệ số biến mô ở chế ñộ khởi hành và luôn luôn giữ trị số không ñổi bằng cách thay ñổi áp suất cung cấp của dầu cho ñến khi xuất hiện hiện tượng rung ñộng của bộ truyền Theo số liệu thực nghiệm người ta xây dựng ñồ thị biểu diễn sự

phụ thuộc hệ số biến mô K0 vào áp suất

cung cấp của dầu p như trên hình 2.4

Từ ñồ thị thấy rằng khi áp suất

cung cấp ñạt ñến một gía trị nào ñó, hệ

số biến mô ở chế ñộ khởi hành K0, và

các ñặc tính khác của bộ biến mô không

phụ thuộc vào áp suất dầu cung cấp Nếu

áp suất giảm hơn giá trị này thì hệ số

biến mô K0 sẽ giảm nhanh chóng

Khi tăng lưu lượng trong vòng

tuần hoàn, ñể tránh hiện tượng rung

ñộng ñòi hỏi phải có áp suất cung cấp lớn Tăng áp suất cung cấp ñòi hỏi phải tăng hệ số tăng

mô men của bộ biến mô

P

K0

P

K0

Hình 2.4 ảnh hưởng của áp suất dầu cung cấp

ñến hệ số biến mô của bộ truyền khi khởi hành

Tr ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……….36

ðể bảo ñảm áp suất cung cấp và làm mát cho chất lỏng làm việc, trong các bộ biến mô trên các thiết bị tự hành có một hệ thống cung cấp Hệ thống này là một phần trong hệ thống ñiều khiển chung của hệ thống truyền lực Kết cấu và sơ ñồ hệ thống cung cấp có thể khác nhau, song tất cả ñều có chung các thành phần cơ bản như trình bày trên hình 2.5

Dung tích của bình chứa dầu thường tính bằng một phần hai năng suất của bơm Giảm dung tích dầu liên quan ñến việc phải dùng các phụ gia chống tạo bọt khí và các biện pháp kết cấu ñặc biệt ñể hạn chế sự tiếp xúc của dầu với khí quyển Bơm dầu sẽ hút dầu từ thùng chứa

1, ñẩy qua bình lọc 5 ñến mạch dầu chính ở ñầu ra của bơm dầu có lắp một van giới hạn áp suất 12, và một van an toàn ñược lắp song song với bình lọc dầu (không ký hiệu trên hình vẽ), van này sẽ tự ñộng mở ra cho dầu ñi ngang qua bình lọc ñến bộ biến mô khi bình lọc bị quá bẩn hay bị tắc

Van giảm áp 6 giới hạn áp

suất trong mạch dầu chính của hệ

thống ñiều khiển thủy lực của hộp số

thủy lực Van ñược lắp sao cho việc

cung cấp cho bộ biến mô ñược thực

hiện qua cửa thoát Trong trường hợp

khi gài số thủy lực bộ biến mô ñược

ngắt cung cấp, nhờ vậy sẽ giảm ñược

thời gian gài số và giảm ñộ trượt ở

các bộ ly hợp khóa số, giảm công

trượt ở các ly hợp khóa, tăng hiệu

quả của bộ truyền thủy cơ

Hình 2.5 Sơ ñồ nguyên lý hệ thống cung cấp của bộ biến mô

1- Thùng dầu; 2- Bộ chỉ báo mức dầu;

- Cổ ñổ dầu có lưới lọc; 4- Bơm cung cấp; 5- Bình lọc có van an toàn; 6- Van giảm áp; 7- Bộ

biến mô; 8- Nhiệt kế; 9- Van ổn áp; 10- Bộ tản nhiệt dầu;

11- Áp kế; 12- Van giới hạn áp suất

Hình 2.6 ðồ thị tính chất € tự tăng áp

của bộ biến mô GTP -5

Từ van giảm áp, chất lỏng ñược dẫn ñến bộ biến mô ở cửa ra của bộ biến mô có lắp một van ổn áp 9, van này có chức năng ñiều chỉnh áp lực cung cấp cho bộ biến mô Khi ngừng cung cấp dầu cho bộ biến mô, van này dừng việc xả dầu khỏi bộ biến mô và trong một khoảng thời gian nhất ñịnh van ổn áp duy trì áp suất dư cần thiết trong bộ biến mô Sau van áp suất, dầu ñược dẫn tới bộ phận làm mát Song song với bộ tản nhiệt cũng có lắp một van an toàn, dùng ñể tránh cho dầu không bị quá lạnh, làm áp suất dầu quá cao có thể gây hư hỏng hệ thống ống dẫn và bộ phận làm mát

Khi tính toán hệ thống cung cấp, nếu việc cung cấp và việc xả dầu khỏi bộ biến mô không cùng một mức áp lực thì cần phải tính ñến lực cản thủy lực bên trong bộ biến mô và

của nó, nghĩa là sẽ có sự chênh lệch áp lực ở cửa vào và cửa ra của bộ biến mô Trên hình 2.6

do Liên Xô cũ chế tạo

Hiện nay dầu dùng cho bộ biến mô thường là dầu khoáng ñặc biệt

êu cầu ñặt ra cho dầu dùng trong bộ biến mô ñược xác ñịnh không chỉ từ ñiều kiện làm việc của bộ truyền thủy ñộng mà còn từ ñiều kiện làm việc của phần truyền lực cơ học và các bộ phận khác cấu thành hệ thống truyền lực chung của thiết bị

Dầu truyền lực cần có ñộ nhớt không cao ñể giảm mất mát thuỷ lực, phải tạo ñược một lớp màng mỏng bám trên bề mặt các chi tiết ñể bôi trơn tốt, tránh mài mòn cho các cặp lặp ghép, các bánh răng và gối ñỡ ñồng thời cần có tính chất bảo vệ chống ăn mòn hóa học cao Ngoài ra dầu thủy lực cần có nhiệt ñộ cháy cao, vì nhiệt ñộ làm việc của bộ biến mô thường lớn, ñồng thời dầu thủy lực cần có tính ổn ñịnh lâu dài về ñộ nhớt, có tính năng chống tạo thành nhũ tương và bọt dầu và có ñộ axít thấp

ảnh hưởng của ñộ nhớt ñến

ñặc tính làm việc của bộ biến mô

ñược nghiên cứu bằng thực nghiệm

trên bàn khảo nghiệm Các thí

nghiệm ñã chỉ ra rằng ñộ nhớt có ảnh

hưởng lớn nhất ñến hiệu suất của bộ

truyền Khi tăng ñộ nhớt từ 4 ñến 9

cSt ở nhiệt ñộ 1000 C, hiệu suất cực

ñại của bộ truyền giảm xuống 1%,

ñồng thời cả bề rộng làm việc của

ñặc tính tải trọng cũng bị giảm (xem

h.2.7) Mặt khác khi ñộ nhớt nhỏ

quá, dầu không có khả năng tạo ra

lớp màng mỏng dính trên bề mặt chi

tiết, từ ñó làm giảm tuổi thọ của các

chi tiết Hiện nay dầu dùng trong các

bộ truyền thủy ñộng trên các thiết bị

tự hành thường có ñộ nhớt trong

khoảng 7÷9 cSt

ðộ bền vững của lớp dầu

bám trên bề mặt chi tiết trong bộ

truyền thủy ñộng ñược xác ñịnh bằng

Hình 2.7 ảnh hưởng ñộ nhớt của dầu ñến ñặc tính

của bộ biến mô phối hợp

ν- ðộ nhớt tính bằng cSt ở 100 0

C; ηmax- Hiệu suất cực ñại; ηM- Hiệu suất ở chế ñộ biến mô; i 0,8 - Tỷ số truyền ñộng khi làm việc ở chế ñộ hiệu suất bằng 80%; K 0 - Hệ số

biến mô ở chế ñộ khởi hành