Bài giảng về bơm thể tích

Bơm cánh dẫn Bơm thể tích Bơm lý tưởng Bơm thực tế 5 Các lọai bơm quay CENNITEC .Bơm cánh dẫn Lưu luợng Ngõ ra Bánh công tác o Áp suất cực đại Hình 2.1 Bơm ly tâmnguyên lý và đặc tính Dạng bơm cánh dẫn phổ biến là bơm ly tâm. Đối với bơm dạng này, lưu lượng được cung cấp bởi bơm giảm dần khi áp suất làm việc của bơm tăng lên. Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính lưu lượngáp suất của bơm ly tâm được trình bày trong hình 2.1. Lưu chất được hút vào và đẩy ra nhờ lực ly tâm được tạo ra...

Bơm

Le The Truyen

GIỚI THIỆU VỀ BƠM THỂ TÍCH

Bơm cánh dẫn

Hình 2.1 Bơm ly tâm-nguyên lý và đặc tính

Dạng bơm cánh dẫn phổ biến là bơm ly tâm Đối với bơm dạng này, lưu lượng được cung cấp bởi bơm giảm dần khi áp suất làm việc của bơm tăng

lên Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính lưu lượng-áp suất của bơm ly tâm

được trình bày trong hình 2.1 Lưu chất được hút vào và đẩy ra nhờ lực ly tâm được tạo ra ở cánh dẫn

Bơm thể tích

Hình 2.2 Bơm thể tích

Nguyên lý làm việc của bơm thể tích có thể tóm tắt như sau:

1 Trong lúc tăng thể tích làm việc của mình, các buồng hoạt động của bơm được kết nối với đường hút Sự gia tăng thể tích của các buồng làm việc kéo theo sự giảm áp suất bên trong

nó, dẫn đến chất lỏng bị hút vào bên trong.

2 Khi thể tích các buồng làm việc đạt tới giá trị lớn nhất, các buồng làm việc được cách ly với đường hút.

3 Trong giai đoạn giảm thể tích, các buồng làm việc được kết nối với đường đẩy Lưu chất khi đó được đẩy đến ngõ ra của bơm và được nén tới áp suất cần thiết để thắng lực cản tồn tại trong ống dẫn.

4 Giai đoạn đẩy dầu kết thúc khi buồng làm việc giảm đến thể tích nhỏ nhất Sau đó, buồng

Bơm lý tưởng

quay với giả thiết không có sự rò rỉ bên trong bơm và bỏ qua độ nén của chất lỏng

Nó phụ thuộc vào giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất có thể có được của các buồng làm việc, số lượng các buồng làm việc, và số lần hút và đẩy trong một vòng quay của trục bơm

Thể tích này phục thuộc vào hình dáng hình học của bơm nên nó còn được gọi

là là thể tích hình học, D p (geometric volume) Nó được xác định theo công thức sau:

D p = (V p_max – V p_min )zi

Trong đó,

i = số lần hút và đẩy trong một chu kỳ quay,

z = số lượng buồng làm việc,

V p_max = thể tích lớn nhất của buồng làm việc (m3),

V p_min= thể tích nhỏ nhất của buồng làm việc,

D p = thể tích riêng của bơm (m3/rev)

Bơm lý tưởng

Giả thiết rằng không có sự rò rỉ bên trong bơm, không ma sát, không có sự mất áp, lưu lượng của bơm lý tưởng là (xem hình 2.3):

Hình 2.3 Minh họa bơm lý tưởng

Lưu lượng lý thuyết Q t = D p n p

Q t = lưu lượng lý thuyết của bơm, m3/s

n p = vận tốc quay của trục bơm, rev/s

Bơm lý tưởng

Với các giả thiết như trên của bơm lý tưởng, năng lượng cơ khí cung cấp sẽ bằng năng lượng thủy lực tạo ra trong hệ thống thủy lực, và mối quan hệ đó được trình bày theo công thức sau:

Bơm lý tưởng

Hình 2.4 Minh họa sự biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực

Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực

Bơm thực tế

Công suất thủy lực cung cấp bởi bơm thực tế nhỏ hơn so với năng lượng cơ khí mà

nó nhận được Nguyên nhân là do hiệu suất thể tích, ma sát, và mất mát năng

lượng thủy lực

Lưu lượng thực tế bơm cung cấp nhỏ hơn so với lưu lượng lý thuyết là do các

nguyên nhân chính sau:

1 Rò rỉ bên trong bơm

2 Bơm bị xâm thực và hiện tượng tạo bọt khí

Bơm thực tế

Hiệu suất thể tích của bơm thường nằm trong khoảng từ 0.8 đến 0.99 Bơm piston có hiệu suất thể tích cao nhất, trong khi bơm bánh răng và bơm cánh gạt, nhìn chung, có hiệu suất thể tích thấp hơn

Bơm thực tế

Hiệu suất cơ khí

Ma sát là nguyên nhân thứ hai làm mất năng lượng của hệ thống thủy lực Ma sát nhớt và ma sát cơ khí giữa các thành phần của bơm làm triệt tiêu năng lượng Một phần mô-men kéo cấp cho bơm bị mất do các lực ma sát sinh ra trong quá trình bơm vận hành

Nó phụ thuộc vào vận tốc của bơm, áp suất làm việc, và độ nhớt của dầu Để đánh giá sự mất năng lượng do ma sát, ta dùng thông số hiệu suất cơ khí, pη t, được xác định như sau:

Hiệu suất tổng của bơm

Hiệu suất tổng của bơm p η o là tỉ lệ giữa công suất nhận được và công suất cung cấp, được xác định như sau:

Hiệu suất tổng

Công thức trên có thể biến đổi thành

Hiệu suất tổng bằng tích của hiệu suất thể tích và hiệu suất cơ khí

Hiệu suất của bơm

Ví dụ 2.1

Một bơm có thể tích riêng là 14 cm3/rev được kéo bởi một động cơ điện có vận tốc quay là 1440 rev/min và làm việc ở áp suất 150 bar Hiệu suất thể tích của bơm là 0.9 và hiệu suất tổng là 0.8 Tính:

1 Lưu lượng của bơm cung cấp trong 1 phút (l/min)

2 Công suất cần cung cấp tại trục bơm (kW)

3 Mô-men tại trục bơm

Hiệu suất của bơm

Hiệu suất của bơm

thể tích x Thể tích riêng x Vận tốc quay

= 0.9 x (14 x 10-3) x 1440 (cm3)x

(l/cm3) x (rev/min)) = 18.14 (l/min)

 2) Công suất cần cung cấp tại trục

bơm = Công suất thủy lực / Hiệu suất tổng

Công suất thủy lực tại đầu ra của bơm

= Lưu lượng thực tế x Áp suất

( ) 4 . 535 ( kW )

600

150 14

18

) kW

( 600

=

=

= p p Hydraulic

P Q N

Hiệu suất của bơm

Công suất cung cấp

= 4.535 / 0.8 = 5.67 (kW)

Hiệu suất của bơm

 3) Hiệu suất cơ khí = Hiệu suất tổng / Hiệu suất thể tích

Hiệu suất của bơm

về lý thuyết bơm sẽ cung cấp một lưu luợng

cố định sau 1 vòng quay

bị khóa lại, thì áp suất sẽ tăng cao rất

nhanh cho đến giá trị mà bơm sẽ bị hư hỏng

do gãy, vỡ

bày.

Hiệu suất của bơm

dầu vào một ống dẫn có thể tích là 1 lít Nếu đầu kia của ống đột ngột bị khóa kín, tính

áp suất trong ống dẫn sau 1 giây, tính từ

thời điểm ống bị khóa.

bar) bỏ qua sự giãn nở của ống dẫn)

Hiệu suất của bơm

công thức sau

Trong đó, ΔP là độ thay đổi áp suất, ΔV là

độ thay đổi thể tích, và V là thể tích ban

đầu

chất lỏng trong ống là 1 lít (bằng thể tích ống dẫn) Tính từ thời điểm ống bị khóa sau

đó 1s thì thể tích dầu trong ống tăng lên

một lượng đúng bằng thể tích dầu mà bơm cấp trong 1s.

Hiệu suất của bơm

trong ống sau 1s kể từ khi ống bị khóa.

là bơm chính trong các hệ thống truyền động thủy lực Nó được chia ra làm hai nhóm chính, đó là, bơm quay và bơm

piston.

bar 333 )

MPa (

3 33

) MPa

( 1

60 / 1 2000

Bài tập chương 2-Phần I

được kéo ở vận tốc 1500 vòng/phút Nếu

bơm có hiệu suất thể tích là 87 % và hiệu suất tổng là 76 %, tính:

 a) Lưu lượng bơm cung cấp (l/min)

 b) Công suất cần để kéo bơm khi nó làm việc ở áp suất 150 bar

Bài tập chương 2-Phần I

15 l/min ở áp suất vận hành là 200 bar Bơm được kéo ở vận tốc 1430 vòng/min Nếu

công suất cung cấp là 6.8 kW và hiệu suất

cơ khí của bơm là 87 % Tính thể tích riêng của bơm (cm3).

Bài tập chương 2-Phần I

l/min ở áp suất 260 bar Bơm được dùng là

loại bơm có thể tích riêng thay đổi được và

được hiệu chỉnh bằng tay Thể tích riêng cực

tốc quay là 1430 vòng/phút Hiệu suất tổng của bơm là 0.85, hiệu suất thể tích là 0.90

Bài tập chương 2-Phần I

 2.4 Một hệ thống thủy lực dùng 25 lít dầu trong 1 phút được cung cấp bơm có thể tích riêng là 12.5 cm3, vận tốc quay của bơm là 2880 vòng/phút Bơm có hiệu suất thể tích là 0.85 và hiệu suất tổng là 0.75 Nếu van giới hạn áp suất của hệ thống

được cài ở giá trị 180 bar, tính:

suất.

  

Hiện tượng xung ở lưu lượng bơm thể tích

Hình 2.7 Minh họa hiên tượng xung lưu lượng ở bơm thể tích

Về lý thuyết, lưu lượng cung cấp bởi

bơm được tính theo Q t = D p n p Giá trị

này thể hiện giá trị trung bình của lưu

lượng bơm Thực tế, lưu lượng bơm

không phải là hằng số Từng buồng

làm việc của bơm cung cấp lưu lượng

đúng bằng phần giảm thể tích của nó

Lưu lượng tinh của bơm tại thời điểm

xác định là tổng lưu lượng được cung

cấp bởi các buồng được nối với

đường hút tại thời điểm đó

Lưu lượng cung cấp bởi các buồng làm việc của bơm bắt đầu từ giá trị zero tại

điểm bắt đầu của hành trình đẩy Nó tăng dần cho đến khi đạt giá trị cực đại tại

điểm giữa của hành trình Sau đó, nó giảm dần cho đến giá trị 0 tại điểm kết thúc của hành trình đẩy dầu

Do vậy, lưu lượng tinh của bơm có dạng xung, như được minh họa theo hình dưới đây

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

1 Thân bơm, 2 Mặt trước, 3 Trục bơm, 4 Ổ đỡ, mặt bên, 5 Bạc đạn, 6 Đĩa, 7 Ngõ vào, 8

Ngõ ra, 9 Bánh răng chủ động, 10 Bánh răng bị động

Hình 2.9 Bơm bánh răng

Thể tích riêng của bơm bánh răng ăn khớp ngoài có thể tính theo công thức sau:

) sin (

z = số răng của mỗi bánh răng.

γ = góc nghiên của răng, rad.

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Rò rỉ bên trong bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Rò rỉ bên trong bơm bánh răng được diễn ra theo hai hướng

chính:

•Qua đỉnh răng

•Giữa hai mặt bên của bánh răng và mặt của thân bơm

Rò rỉ qua đỉnh răng chịu sự ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh răng

và thân bơm, số răng, và áp suất tại ngõ ra của bơm

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

- Rò rỉ qua mặt bên của bánh răng phụ thuộc vào khe hở giữa hai mặt bên của bánh răng và các mặt bên (4)

- Bơm làm việc ở áp suất thấp thì lượng dầu rò rỉ qua đường này là rất nhỏ và như thế các mặt bên (4) này được cố định Khi đó, độ mòn của các mặt bên (4) sẽ ảnh hưởng đến lượng dầu rò rỉ

- Nếu bơm làm việc ở áp suất cao thì lượng dầu rò rỉ qua đường này là đáng kể Khi đó, bơm phải được thiết kế

để có sự cân bằng thủy lực cho khe hở này Các mặt bên (4) sẽ ép sát vào các bánh răng bằng lực thủy lực tỉ lệ thuận với áp suất

Áp suất tại ngõ ra của bơm được kết nối để tác động lên các đĩa (6) Diện tích của các đĩa này phải được tính toán hợp lý để lực tác động lên các bánh răng là vừa đủ lớn để tránh làm gia tăng lực ma sát Bằng cách này, khe hở giữa các bánh răng và mặt bên được điều chỉnh theo áp suất ngõ ra của bơm Trong trường hợp này, độ mòn của các mặt bên (4) không ảnh hưởng lớn đến lượng dầu rò rỉ bởi vì nó luôn được ép sát vào các bánh răng dưới tác động của áp suất

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Sự dao động của lưu lượng trong bớm bánh răng

Lưu lượng tại ngõ ra của bơm bị dao động do sự thay đổi thể tích của các buồng làm việc Tần số dao động lưu lượng của bơm bánh răng có thể tính théo công thức sau:

f = 2zn

Trong đó,

f = tần số dao động của lưu lượng, Hz.

n = vận tốc bơm, rev/s.

z = số răng của mỗi bánh răng

Đối với bơm bánh răng, hệ số dao động được tính theo công thức sau:

%

100 )

1 (

σ

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Giới hạn vận tốc quay của bơm bánh răng

Đối với bơm bánh răng, dầu di chuyển theo đường chu vi của các bánh răng Khi vào bơm, dầu bắt đầu quay cùng với bánh răng và vì vậy nó bị tác động bởi lực ly tâm Lực ly tâm này có xu hướng đẩy dầu ra xa theo phương hướng kính, và ra ngoài buồng làm việc của bơm Do vậy, vận tốc quay lớn nhất của bơm bánh răng

bị giới hạn và áp suất tại cửa vào của bơm và không quá lớn để tránh hiện tượng nêu trên

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Xét áp suất và lực ly tâm tác động lên một phần tử chất lỏng như hình trên, ta có:

r

F Pbrd

brd dP

P + ) ξ = ξ +

(

dP brd

F r = ξ

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Lực ly tâm Fr được biết với

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Áp suất tại ngõ vào của bơm Pi phải lớn hơn áp suất sinh

ra bởi lực ly tâm PC để chất lỏng không bị đẩy ra ngoài Do vậy, vận tốc lớn nhất của bơm bánh răng được giới hạn bởi:

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Hiện nay bơm bánh răng được chế tạo có thể tích riêng dao động từ 0.2 đến 400 cm3 và vận tốc quay được thiết

kế từ 500 đến 6000 rev/min, trong một vài trường hợp đặc biệt có thể cao hơn Hiệu suất tổng của bơm bánh răng

thay đổi tùy theo nhà sản xuất và giá thành, nhưng phần lớn bơm bánh răng có hiệu suất tổng là 90% và có thể làm việc ở áp suất 300 bar.

Bơm cánh gạt

Hình 2.11 Bơm cánh gạt hành trình đơn Bơm cánh gạt hành trình đơn

Thể tích riêng của bơm cánh gạt có thể tính theo

)(Amax Aminbz

V g = −Trong đó,

b = chiều cao của rotor, m.

z = số buồng làm việc

Bơm cánh gạt hành trình kép

Hình 2.12 Bơm cánh gạt hành trình kép

Bơm này có ưu điểm là có được sự cân bằng tại trục của rotor do cùng một thời

điểm có hai buồng chứa dầu có áp suất bằng nhau tác động cùng lúc lên rotor ở hai hướng đối diện nhau Điều này làm cho bơm ít bị mòn và do vậy có tuổi thọ cao hơn

so với bơm cánh gạt có hành trình đơn

Thể tích riêng của bơm cánh gạt trong trường hợp này là

) (

2 bz A A

Bơm cánh gạt có thể tích riêng

thay đổi

Hình 2.13 Bơm cánh gạt thay đổi được thể tích riêng

Bơm piston hướng trục

1 Trục bơm, 2 Đĩa nghiêng, 3 Chân trượt, 4 Đĩa, 5 Piston block, 6 Piston, 7

Đĩa các cửa bơm, 8 Ổ chặn, 9 Lò xo

Hình 2.14 Bơm piston hướng trục

Thể tích riêng của bơm piston hướng trục có thể tính theo:

α

π tan4

2Dz d

V g =

Trong đó,

α = độ nghiên của đĩa nghiêng, rad.

z = số piston

Sự dao động của lưu lượng trong bơm

piston

Hình 2.15 Sự dao động của áp suất và

lưu lượng của bơm có 5 piston Hình 2.16 Ảnh hưởng của số piston đến sự dao động

của áp suất và lưu lượng của bơm piston

Điều khiển bơm piston

Điều khiển bằng tay (manual servo control)

Chuyển động của đĩa nghiêng bơm

tỉ lệ thuận với chuyển động của cần

điều khiển

Điều khiển bơm piston

Bơm thường được thiết kế luôn cung cấp một lưu lượng tối thiểu để bôi trơn

và làm mát (góc nghiêng của đĩa bơm luôn lớn hơn 0)

Điều khiển bơm piston

Điều khiển bằng phương pháp cân bằng áp suất (pressure-compensated control)

Đĩa nghiêng của bơm được tự động điều chỉnh để thay đổi lưu lượng bơm nhằm duy trì áp suất hiệu chỉnh ban đầu

Điều khiển bơm piston

Đường đặc tính của bơm được điều khiển bằng phương pháp cân bằng áp suất

Điều khiển bơm piston

Điều khiển công suất không đổi (constant power control)

Nhằm giới hạn công suất tối đa cung cấp cho bơm

Khi áp suất làm việc tăng thì góc nghiêng của bơm dẫn đến lưu lượng

cung cấp bởi bơm giảm, và công suất được duy trì không đổi

Điều khiển bơm piston

Đường đặc tính của bơm được điều

khiển bằng phương pháp duy trì

công suất không đổi

Điều khiển bơm piston

Điều khiển lưu lượng không đổi (constant-flow control

Các mạch điều khiển bơm

 Điều khiển bơm có thể tích riêng cố

định

 Phần lớn các hệ thống thủy lực đơn giản đều sử dụng

bơm có thể tích riêng cố định vì giá thành giảm

 Bơm được kéo bởi một động cơ điện có vận tốc quay

không đổi Nó hầu như cung cấp một lưu lượng không đổi khi động cơ họat động

 Áp suất làm việc của hệ thống được giới hạn bởi van giới hạn áp suất (relief valve)

Các mạch điều khiển bơm

 Bất kỳ lưu lượng nào cung cấp từ bơm vượt qua giá trị cần của cơ cấp chấp hành đều được trả

về bể chứa dầu thông qua van giới hạn áp suất này Năng lượng thủy lực thừa này chuyển

thành nhiệt năng, gây nên hiện tượng nóng

dầu

 Dạng điều khiển bơm này phù hợp cho các hệ thống mà:

khi không cần thiết

rất nhỏ và dễ dàng làm nguội dầu

Các mạch điều khiển bơm

 Đặc điểm b) ở trên có thể được thực hiện bởi hệ

thống thủy lực dùng van phân phối tâm mở Hệ

thống này sử dụng van phân phối 4 cửa, 3 vị trí điều khiển bằng tay như hình vẽ

 Chuyển động của cơ cấu chấp hành được thực hiện bằng cách tác động vào cần gạt điều khiển van phân phối Khi không gạt cần, các lò xo giữ van làm việc tại ví trí nghỉ

 Lưu lượng cung cấp bởi bơm về lại bể chứa dầu qua van phân phối với lực cản nhỏ Như vậy dầu ít bị

nóng hơn.

M

Các mạch điều khiển bơm

Điều khiển bơm dùng bình tích áp

 Lưu lượng của bơm được nạp vào bình tích áp vào

những thời điểm cần thiết

 Khi giá trị áp suất trong hệ thống đạt tới ngưỡng áp suất được cài đặt trước, công tắc áp suất sẽ chuyển trạng thái và ngắt nguồn điện cung cấp cho cuộn dây của van điện từ.

 Lúc này, lưu lượng của bơm được xả trở về bể chứa Đồng thời, một lượng dầu đã được nén trong bình

tích áp.

Các mạch điều khiển bơm

như sau: tiến ra trong 5s với áp suất 25 bar, lưu lượng là 12 l/min; sau đó dừng lại trong 25s với áp suất 200 bar Tiếp theo lùi về

trong 4s với áp suất 35 bar, lưu lượng là 12 l/min; dừng lại trong 26s với áp suất 200

bar