Thủy lực và máy thủy lực

Thủy lực và máy thủy lực

Thuỷ lực và máy thuỷ lực

1 Khái niệm và tính chất cơ bản của chât lỏng :

1.1 Tính chất cơ bản của chất lỏng :

 Thay đổi thể tích do thay đổi áp lực và nhiệt độ

+ Thay đổi áp lực: Khi áp suất tăng thể tích chất lỏng bị nén lạivà ngợc lại

Hệ số thay đổi thể tích

Chất lỏng thực, chất lỏng lý tởng :

Trong thực Tuy nhiên các tính chất của chât lỏng gây ra rất nhiều khókhăn trong quá trình tính toán thuỷ lực Vì vậy để đơn giản hoá quá trình tínhtoán ngời ta đa ra một khái niệm mới đó là: Chất lỏng lý tởng

- Lực bề mặt ( Là lực từ ngoài tác dụng lên các phần tử chất lỏng thôngqua mặt tiếp xúc và tỷ lệ với diện tích mặt tiếp xúc )

- Lực khối ( Là lực tỷ lệ với khối lợng của chất lỏng tác dụng lên mỗi phần

tử chất lỏng)

1.3 Đơn vị dùng trong thuỷ l c và máy thuỷ l c

- áp suất :Atmôtfe : ký hiệu at Ta có 1 at = 9,81.104 (N/m2)

+ bar : Ta có 1bar = 10 (N/cm2) + Pascal : ký hiệu [ Pa ] Ta có 1Pa =1 (N/m2)

2 Khái niệm, phân loại máy thuỷ lực.

2.1 Khái niệm

Máy thuỷ lực là danh từ chung để chỉ các máy làm việc bằng cáchtrao đổi năng lợng dòng chất lỏng theo nguyên lý thuỷ lực học nói riêng và cơhọc chất lỏng nói chung

- Nếu máy thuỷ lực nhận năng lợng của dòng chất lỏng ngời ta gọi đó là

động cơ thuỷ lực

- Nếu máy thuỷ lực truyền năng lợng cho dòng chầt lỏng ngời ta gọi đó

là bơm

2.2 Phân loại máy thuỷ lực.

* Phân theo tính chất trao đổi năng lợng với dòng chất lỏng:

- Động cơ thuỷ lực

- Bơm thuỷ lực

* Phân theo nguyên lý, tác dụng với dòng chất lỏng:

- Máy thuỷ lực cánh dần (các tua bin, bơm cánh gạt, bơm ly tâm) Nănglợng trao đổi bao gồm cả áp năng và động năng

- Máy thuỷ lực thẻ tích ( kích, xi lanh -piston,(bơm)) Năng lợng trao

đổi chỉ có áp năng

* Phân theo nguyên lý làm việc :

- Máy thuỷ lực thuỷ tĩnh : Nguyên lý trao đổi chủ yếu là áp năng và vịnăng

Mức năng lợng ở A :

EA = ZA + P A

 

A V A g

- Nếu : EAB > 0, thì máy thuỷ lực là động cơ thuỷ lực

EAB = Ht + Hđ - gọi là cột áp của máy thuỷ lực

2.3.2 L u l ợng.

Lợng chất lỏng chảy qua máy thuỷ lực trong một đơn vị thời gian

Q = F.v (m3/s)

- F: Diện tích mặt cắt của máy thuỷ lực

- v: Vận tốc của dòng chất lỏng đi qua mặt cắt đó

- Công suất của máy thuỷ lực : Ntl

- Công suất làm việc ( công suất trên trục máy) :N

Công suất thuỷ lực là cơ năng mà chất lỏng trao đổi với máy thuỷlực trong một đơn vị thời gian: Ntl =  Q.H

Nếu bỏ qua tổn hao thì : Ntl = N ( Ntl > N : Máy thuỷ lực là độngcơ thuỷ lực ;Ntl < N Máy thuỷ lực là bơm)

2.3.3 Hiệu suất 

Là chỉ tiêu đánh giá tổn thất năng lợng trong quá trình trao đổi nănglợng giữa máy thuỷ lực với dòng chất lỏng  = H + ck + tl

+ H : Hiệu suất tổn thất cột áp

+ ck : Hiệu suất tổn thất cơ khí

+ tl : Hiệu suất tổn thất lu lợng

+ Nguyên lý làm việc:

- Khi bánh răng chủ động quay dẫn đến bánh răng bị động quay Vớichiều quay của bánh răng răng chủ động (nh hình vẽ ) thì cửa A là cửa hút còncửa B là cửa đẩy

- Khi các bánh răng ăn khớp quay thì phía cửa A các răng đợc mở ra dẫn

đến thể tích tăng và áp suất tại đó giảm nên nó hút dầu vào Khi dầu vào và đ ợc

điền đầy vào các rãnh răng, dầu đợc đẩy đi bởi mô men quay của các bánh răngvới khoang chứa là các rãnh răng và đờng giới hạn là nòng thân bơm và đợc đẩysang khoang B Khoang B do các bánh răng ăn khớp lại do đó thể tích giảm, ápsuất tăng do đó dầu đợc đẩy ra

- Một phần 10 lợng dầu ở chân răng khi vào khớp nó bị nén lại gây lựchớng kính tác dụng vào bánh răng và ổ trục để an toàn cho bơm ngời ta gia côngcác rãnh giảm áp Ngời ta có 2 phơng pháp khắc phục sau:

giảm và dầu vào trong các khoang.Tại cửa đẩy B các rãnh của cánh gạt giảm vìvậy áp suất tăng và đẩy dầu theo chiều B.

3.2.2 Bơm cánh gạt tác dụng đơn dẫn dầu từ trong.

Giả sử rôto quay theo chiều mũi tên: Thì khi rôto quay các cánh gạt

đợc văng ra do lực ly tâm của rôto và nằm trong rãnh dẫn hớng của rôto ở phầntrên các cánh gạt cảu bơm dần dần mở ra làm cho thể tích của bơm tăng ở phầntrong của rôto ngời ta bố trí hai buồng dầu :

 Không điều chỉnh đợc lu lợng vì không có độ lệch tâm.

 Bơm có độ bền cao so với bơm tác dụng đơn vì độ lệch tâm e = 0

và các cửa hút, cửa đẩy đối xứng nhau do vậy các lực tác dụng lên trục bằng 0,

do đó trục bơm và bơm bền hơn

 Các cánh gạt đặt lệch nhau với các đờng tâm một góc  = 2  30

để lực tác dụng của các cánh gạt cứng vững hơn, nhng chỉ quay đợc một chiều

 Ngời ta nối các cửa đẩy với nhau, và các cửa hút với nhau qua một

đờng dẫn Vì vậy nó hình thành một đờng hút và đờng đẩy

3.2.4.Lu lợng của bơm

Q = 2.103  e.n.(D.B + 4.b.d) - B.D.ZTrong đó:

+ Lu lợng của bơm:

QH = F.s ( F =  d2

 F : Diện tích đỉnh piston S : Hành trình piston ( S = 2R)

 d : Đờng kính piston R : Bán kính tay quay

 n : Số vòng quay  Q H = n  d2

4 .2R

 Nếu gọi số hành trình của piston là n ta có lu lợng của bơm là : Q = nQ t

* Bơm piston hớng trục có nhiều piston song song.

Ngời ta có thể thay đổi lu lợng của bơm thông qua độ nghiêng  của

đĩa Trong trờng hợp tốc độ vòng quay lớn, các piston đợc nối với đĩa số (3)thông qua khớp nối cát đăng Bơm dầu piston có thể biến thành động cơ dầunếu dẫn dầu vào một cửa nào đó của bơm

các lỗ của rôto (1) đặt các piston (2) rôto quay trên trục dẫn dầu (3) đợc lắp cố

định vào thân bơm, trên trục có lỗ hút A và lỗ nén dầu B Khi độ lệch tâm e = 0,quá trình hút, nén không còn Chính vì vậy nên bơm piston hớng kính tác dụng

đơn có thể điều chỉnh lu lợng, ngoài ra để tăng lu lợng của bơm và để lu lợng ổn

định ngời ta có thể chế tạo bơm tác dụng nhiều lần và nhiều hàm piston

truyền chuyển động ra ngoài.Ngời ta có thể tăng

lợng đầu vào và làm giảm tổn thất bằng cách chế tạo

các bánh răng và vỏ động cơ với độ chính xác cao

hoặc tăng chiều rộng (b) của răng

3.4.2 Động cơ dầu cánh gạt.

+ Kết cấu: Tơng tự nh bơm cánh gạt chỉ khác các cánh gạt đợc tỳ cỡng

bức vào thành stato thông qua lò xo hoặc áp lực dầu ở đờng vào

+ Động cơ dầu tác dụng đơn:

- Loại dẫn dầu từ ngoài

- Loại dẫn dầu từ trong

+ Nguyên lý làm việc:

Dầu đợc đa vào một cửa của động cơ với áp lực P, do lệch tâm egiữa rôto và stat, mô men tác dụng nên các cánh gạt do áp lực dầu tạo ra khôngcân bằng ở hai phía của đờng nối hai tâm rôto và stato

Chính vì vậy nó làm cho rôto quay với vận tốc  Nếu không kểchiều dài cánh gạt ta có :

Việc tính toán động cơ dầu tác dung kép tơng tự nh động cơ dầu tác dụng

- Động cơ dầu piston hớng kính:

+ Kết cấu: Tơng tự bơm dầu piston hớng kính

+ Đặc điểm : Gồm động cơ dầu piston hớng kính tác dụng một lần và

động cơ dầu hớng kính tác dụng nhiều lần

Học trình II Thiết bị điều khiển thuỷ lực.

1 Cơ cấu điều khiển, điều chỉnh.

1.1 Cơ cấu chỉnh áp.

Cơ cấu chỉnh áp dùng để điều chỉnh áp suất tức là cố định, tăng hoặcgiảm trị số áp suất trong hệ thống dầu ép

1.1.1 Van an toàn và van tràn.

Nhiệm vụ: Van an toàn dùng để phòng quá tải trong hệ thống dầu

ép tức là khi áp suất vợt quá trị số giới hạn an toàn của các chi tiết ( có thể pháhỏng các chi tiết, bộ phận máy) van an toàn sẽ mở để da dầu về bể dầu nhằmgiảm áp suất trong hệ thống dầu ép Van tràn dùng để giữ áp suất không đổitrong hệ thống dầu ép :

viên bi đa dầu về bể dầu

Loại van này có kết cấu

hệ thống dầu ép, nhằm làm cho hệ thống dầu

ép chuyển động êm nhẹ và khi dừng máy

không cho dầu trở về bể dầu để trnhs chấn

động khi khởi động máy

Kết cấu của của van là sơ đồ lắp

trong hệ thống dầu ép đợc thể hiện nh hình vẽ,

van cản thờng lắp ở cửa ra của xi lanh với áp

Trong trờng hợp một bơm dầu phải

cung cấp cho nhiều cơ cấu chấp hành làm việc ở các áp suất khác nhau thì ta chobơm dầu làm việc ở công suất lớn nhất và sử dụng van giảm áp

Trong hệ thống này xilanh (1) làm việc với áp suất P1 nhờ van giảm

áp (a) tạo ra áp suất P2 < P1 cung cấp cho xi lanh (2) Đặc điểm của van này là ápsuất cần điều chỉnh ở cửa ra P2 ta có phơng trình cân bằng :

P2F - P1 = 0  P2 = P1 / F.

Nh vậy , để điều chỉnh P2 ta thay đổi P1.

Loại van nh hình vẽ thờng sử dụng ở áp suất thấp vì lực p1 lớn khi áp suấtcao  lò xo lớn  cồng kềnh hơn nữa độ giảm chấn của loại này cũng kém hơn

Để khắc phục ngời ta sử dụng loại van piston vi sai có bậc để tăng độ giảm chấn

và giảm kích thớc

1.1.4 Rơ le áp lực.

Thờng dùng trong hệ thống dầu ép của máy tự động và bán tự động

Nó đợc sử dụng nh cơ cấu phòng quá tải, vì khi P tăng nó cắt dòng điện làm bơmdầu ngừng hoạt động

Gọi F là tiết diện tác dụng và v là vận tốc của piston đồng thờikhông kể đến tổn thất thể tích thí lu lợng qua van tiết lu là: Q2 = F.v

Theo công thức của Torixeli về lu lợng chảy qua một khe hở có tiếtdiện chảy là Ax và hiệu áp P = P2 - P3 thì:

Q2 = .Ax

2g

 p0- p1 vì c = 2g

  Q2 = c .Ax Suy ra v = với .là hệ số thoát dầu phụ thuộc hình dạng, tiếtdiện chảy có thể coi là một hằng số

Nh vậy ta thấy v có thể thay đổi nhờ Ax và P

Có hai loại van tiết lu chính:

+ Van tiết lu điều chỉnh dọc: Các

chốt tiết lu di chuyển dọc trục làm thay đổi

các thiết diện chảy Ax và qua đó điều chỉnh

đợc lu lợng Sự khác nhau trong loại van này

là các rãnh tiết lu khác nhau nh hình vẽ

+ Van tiết lu điều chỉnh quanh trục:

Cả hai loại đều đợc điều chỉnh

bằng cách xoay chốt tiết lu quanh trục với

góc từ 00 đến 1800, rãnh tiết lu có hình tam

giác () phai quanh trục Dầu có thể t ngoài

vào hoặc từ trong ra, tuy nhiên dòng từ ngoài

vào giảm dòng xoáy, lu lợng ổn định hơn

Ký hiệu của van tiết lu:

1- Là loại van không điều chỉnh

2- Là loại van điều chỉnh

1.2.2 Bộ ổn tốc.

Ký hiệu:

Nhiệm vụ : Làm ổn định tốc độ của

cơ cấu chấp hành thông qua van tiết lu Tức là

đa\mr bảo lu lợng không đổi khi đi qua van tiết

lu, tức là làm cho vận tốc bàn máy lắp trên

xilanh truyền lực có giá trị không đổỉ

Trên hình vẽ ta có bộ ổn tốc gồm

một van giảm áp có piston tròn và van tiết lu đều

chỉnh quanh trục nó đợc lắp ở đầu ra áp suất P2

vào van giảm áp và nó giảm xuống P3 và P3 tiếp

tục qua van tiết lu và ra thành P4 trở về bể dầu

Điều kiện để bộ ổn tốc làm việc là P1 > P2 >P3

Tác dụng: Van một chiều dùng để

điều khiển dòng chất lỏng đi trong một hớng và

ngăng không cho dòng chất lỏng đi trở lại

Van có thể đặt ở các vị trí khác nhau

tuỳ theo mục đích sử dụng, van một chiều có thể

là van bi nh hình vẽ hoặc có thể là van trợt Vì ở

áp suất lớn van trợt làm việc tốt hơn

1.3.2 Van đảo chiều.

Là loại van dùng để đóng mởt các

ống dầu khơi động của cơ cấu biến đổi năng

l-ợng hoặc đổi chiều hoặc đổi hớng chuyển động

của xilanh - piston Dựa vào kết cấu số hố dầu

dẫn và số vị trí mà ngời ta phân chúng ra làm

nhiều loại khac nhau

Ký hiệu :

- Số ô chỉ số vị trí

- Cửa đóng có ký hiệu là T.

- Mũi tên trong ô chỉ đờng dầu qua các cửa

- 2/2 tử số chỉ số cửa, mẫu số chỉ số vị trí

Nguyên lý làm việc :

Van đảo chiều có rất nhiều dạng khác nhau, nhng dựa vào một số

đặc điểm chung là số vị trí và số cửa để phân biệt chúng với nhau:

- Số vị trí : Là số chỗ định vị con trợt của van Thông thờng van đảo chiềucao hai hoặc ba vị trí ; ở những trờng hợp đặc biệt có thể nhiều hơn

- Số cửa ( đờng ): Là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra Số cửa của van đảo chiếuthờng là 2,3,5 Đôi khi có thể dùng nhiều hơn

Dới đây ta xét một loại vân van đảo chiều hai vị trí thờng dùng:

Hình (a) là sơ đồ van đảo chiều đơn giản nhất có hai cửa và hai vịtrí, viết tắt là 2/2 ( tử số chỉ số cửa, mẫu số chỉ số vị trí) Ký hiệu mỗi vị trí làmột ô vuông và các mũi tên trong các ô vuông

chỉ đờng dẫn dầu qua các cửa, cac dấu T trong

các ô vuông là chỉ cửa bị chặn Van 2/2 chủ yếu

dùng để đóng mở đờng dẫn dầu

Hình (b) là sơ đồ van đảo chiều 3

cửa, 2 vị trí Loại này thờng dùng để làm rơle

dầu ép ở vị trí của hình vẽ, đờng (1) thông với

đờng (2) nối liền với một buồng làm việc của

xilanh cơ cấu chấp hành Khi con trợt của van

di chuyển sang trái, buồng ra của xilanh cơ cấu

chấp hành đợc nối với cửa (3) đi về bể dầu

Hình (c) là loại van đảo chiều 5

cửa, 2 vị trí : 5/2 Loại này dùng rất phổ biến để

đảo chiều các cơ cấu chấp hành mà cả hai chiều

chuyển động đều đợc thực hiện bằng dầu ép ở

những loại máy tiện, phay có gia tốc không

lớn nhng thờng dùng loại này để đảo chiều, trái

lại dùng ở máy mài thì không tốt

ở hệ thống dầu ép dùng một bơm

dầu thì :

- Cửa (1) lắp vào nguồn dầu ép

- Cửa 2.1 và 2.2 lắp vào bờng trái và phải

của xilanh cơ cấu chấp hành

- cửa 3.1 và 3.2 lắp ở cửa ra, đa dầu về bể

ở hệ thống dầu ép dùng hai bơm dầu thì :

- Cửa 3.1 và 3.2 lắp vào đờng ra của từng bơm dầu một

- Cửa 2.1 và 3.2 lắp vào buồng trái và phải của xilanh truyền lực

- Cửa (1) lắp vào đờng ra bể dầu.

1.4 Điều chỉnh và ổn định vận tốc

Điều chỉnh vận tốc chuyển động thẳng hoặc chuyển động vòng của cơ cấuchấp hành trong hệ thống dàu ép bằng cách thay đổi lu lợng dàu chảy qua nó vớihai phơng pháp sau đây:

- Thay đổi sức cản trên đờng dẫn dầu bằng van tiết lu Phơng pháp điềuchỉnh này gọi là điều chỉnh bằng tiêt lu

- Thay đổi chế độ làm việc của bơm dầu, tức là điều chỉnh lu lợng củabơm cung cấp cho hệ thống dầu ép Phơng pháp điều chỉnh này gọi là điều chỉnhbằng thể tích

Lựa chọn phơng pháp điều chỉnh vận tốc phụ thuộc vào nhiều yếu

tố nh : công suất truyền động, áp suất cần thiết, đặc điểm thay đổi tải trọng, kiểu

và đặc tính của bơm dàu v.v

1.4.1 Điều chỉnh bằng van tiết l u

Do kết cấu đơn giản nên loại điều chỉnh này đợc dùng nhiều nhất trongcác hệ thống dầu ép của máy công cụ để điều chỉnh vận tốc của chuyển độngthẳng cũng nh chuyển động vòng ở loại điều chỉnh này bơm dầu có một lu lợngkhông đổi và với việc thay đổi tiết diện chảy của van tiết lu làm thay đổi hiệu ápcủa dầu, do đó thay đổi lu lợng dẫn đến cơ cấu chấp hành để đảm bảo vận tốcnhất định Lợng dàu thừa không thực hiện công có ích nào cả đợc đa về bể dầu ( Hình vẽ bên )

Tuỳ thuộc vào vị trí lắp van tiết lu trong hệ thống, ta có hai loại điều chỉnhbằng van tiết lu sau :

- Điều chỉnh bằng tiết lu đờng vào

- Điều chỉnh bằng tiết lu đờng ra

Hình 1 là sơ đồ điều chỉnh vận tốc bằng tiết lu ở đờng vào Van tiết lu (1)

đặt ở đờng vào của xi lanh (2) Đờng ra của xi lanh đợc dẫn về bể dầu qua vancản (3) Nhờ van tiết lu (1), ta điều chỉnh đợc hiệu áp giữa hai đầu van tiết lu, tức

là điều chỉnh đợc lu lợng chảy qua van tiết lu vào xi lanh, do đó làm thay đổi vậntốc của piston Dầu thừa chảy qua van tràn (4) về bể dầu

Van cản (3) dùng để tạo nên một áp suất nhất định ( khoảng 3 - 8 bar)trong buồng bên phải của xi lanh 2, đảnm bảo piston chuyển động đợc êm.Ngoài ra van cản (3) còn làm giảm chuyển động giựt mạnh của cơ cấu chấp hànhkhi tải trọng thay đổi đột ngột ( Thí dụ: nh ở cuối nguyên công khoan lỗ xuyênthủng )

Với áp suất từ 0 - 5 bar, mô đun đàn hồi của cột dọc trong buồng phải của

xi lanh (2) nhỏ hơn rất nhiếu so với áp suất lớn, vì thế độ đàn hồi của dầu trongtrờng hợp náy lớn, dễ làm cho chuyển động của cơ cấu chấp hành mất ổn định

Van cản (3) có thể giảm ảnh hởng đàn hồi của cột dầu bằng cách tăng ápsuất trong buồng trái của xi lanh lớn hơn 5 bar

Nếu nh tải trọng tác dụng lên piston là P và lực ma sát giữa piston và xilanh là Pm , thì phơng trình cân bằng tĩnh của piston là :