Tự động hóa thủy khí trong máy công nghiệp nguyễn tiến lưỡng

Trong hệ thống truyền dẫn gọi là mạch động lực - đề cập đến nguyên lý làm việc, một số kết cấu và điều chỉnh bơm dầu, máy nén khí và các cơ cấu chấp hành.. Ví dụ: Chức năng của động cơ đ

TS NGUYỄN TIẾN LƯỠNG

Tự DỘNG HOÁTHUỶ-KHÍ

TRONG MÁY CÔNG NGHIỆP

LÒI NÓI ĐẦU

Trong nhiều năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ

đã nâng cao mức độ tự động hoá quá trình sản xuất cũng như các máy móc và thiết bị lên mức đáng kể Sự kết hợp các phương tiện truyền động như điện, điện tử - cơ khí - thuỷ lực - khí nén ngày càng có hiệu quả Tính ưu việt riêng của truyền động thuỷ lực - khí nén như truyền dẫn vô cấp về tốc độ, vô cấp về tải trọng, làm việc được trong môi

trường khắc nghiệt đã góp phần đáng kể trong tự động hoá ở các ngành cơ khí chế

tạo, luyện kim, công nghiệp thực phẩm, hàng không, giao thông

Cuốn sách "T ư đ ô n g hoá th u ỷ - k h í tro n g m áy cô n g n g h iêp " trang bị cho

sinh viên các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật những kiến thức cơ bản trong truyền động và điều khiển dùng thuỷ lực - khí nén; đồng thời ứng dụng được trong tự động hoá máy công nghiệp và các ngành liên quan khác

Cuốn sách được biên soạn trên cơ sở giáo trình đã được giảng dạy nhiều năm cho

sinh viên ngành Chế tạo máy ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội và đặc biệt đã tham khảo các tài liệu mới nhất của các tác giả đã viết về điều khiển thuỷ lực - khí nén ở

trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Đà Nắng và các tài liệu khác

C uốn sá c h g ồ m ba p h ầ n chính:

- Hệ thống truyền dẫn và điều khiển thuỷ lực: chương 1, chương 2, chương 3.

- Hệ thống truyền dẫn và điều khiển khí nén: chương 4

- Hệ thống kếừhợp điều khiển điện - thủy lực - khí nén: chương 5

Trong hệ thống truyền dẫn gọi là mạch động lực - đề cập đến nguyên lý làm việc, một số kết cấu và điều chỉnh bơm dầu, máy nén khí và các cơ cấu chấp hành

Với mạch điều khiển, giới thiệu về nguyên lý làm việc, kết cấu của các phần tử chính trong điều khiển như chỉnh áp suất, chỉnh lưu lượng và chỉnh hướng Đặc biệt là trình bày kỹ về điều chỉnh và ổn định tốc độ

Các mạch điều khiển liên hệ ngược theo tốc độ, theo vị trí, theo tải trọng, theo áp suất, theo công suất; và các vấn đề liên quan đến đồng bộ làm việc của nhiều cơ cấu chấp hành dùng thuỷ - khí Phần cuối cùng sách giới thiệu cách thiết kế mạch điện điều khiển cơ bản cho một số sơ đồ đơn giản và một số ví dụ ứng dụng cơ bản.

Phần lý thuyết trong tài liệu này chỉ để cập những kiến thức cơ bản để xác định tính năng kỹ thuật chính cho mạch động lực và chỉ nêu đặc tính kỹ thuật, khả năng sử dụng của một số phần tử chức năng cơ bản trong mạch điều khiển nhằm giúp bạn đọc thiết

kế và khai thác máy có hiệu quả hơn

Cuốn sách chắc hẳn còn khiếm khuyết, rất mong nhận được nhiều ỹ kiến đóng góp của bạn đọc cho nội dung cuốn sách để lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn

Mọi ý kiến góp ý xin gửi về Công ty c ổ phần Sách Đại học - Dạy nghề (HEVOBCO),

25 Hàn Thuyên, Hà Nội

TÁC GIẢ

Bài mỏ đầuGIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ CHỨC NÂNG

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DAN THUỶ KHÍ

Yêu cầu chung cho các máy móc và thiết bị là phải bảo đảm các yêu cầu kỹ thuật cần thiết, bảo đảm độ tin cậy, tuổi thọ, an toàn và giảm giá thành bảo trì trong suốt thời gian sử dụng Mỗi phần tử hay bộ phận cấu thành hệ thống truyền dẫn cho máy móc và thiết bị đều phải thể hiện một nhiệm vụ xác định - ta gọi đó là các phần

tử chức năng

Ví dụ: Chức năng của động cơ điện là biến điện năng thành cơ năng quay trục động

cơ, hoặc bơm dầu trong truyền dẫn thuỷ lực có chức năng là biến cơ năng (động cơ điện quay) thành thế năng của chất lỏng dưới dạng áp suất và lưu lượng của nó Còn chọn loại bơm gì phải do yêu cầu kỹ thuật cụ thể xác định

Dù đơn giản hay phức tạp với mỗi máy móc hay thiết bị đều tồn tại hai dòng năng lượng cho mạch động lực và mạch điều khiển

Hình 0.1 giới thiệu sơ đồ tổng quát cho truyền dẫn thuỷ - khí trong máy, gồm mạch động lực và mạch điều khiển

Hình 0.1 Sơ đồ tổng quát truyền dẫn thuỷ - khí

-Mạch động lực; - Mạch điều khiển.

Sơ đồ truyền dắn thuỷ - khí trong máy:

5 Động cơ dầu hoặc khí chuyển động quay: 9- Liên hệ ngược.

0.1 MẠCH ĐỘNG Lực

Xuất phát từ động cơ điện 2 quay (cơ năng) bơm dầu hoặc máy nén khí 3 tạo ra năng lượng của chất lỏng dưới dạng áp suất (thế năng) truyền theo đường ống qua cơ cấu điều khiển, điều chỉnh 4 tới động cơ chuyển động quay 5 (cơ năng), rồi tới cơ cấu chấp hành 7 như quay trục chính máy khoan, quay bàn máy, quay đầu vặn vít ; hoặc tới động cơ chuyển động thẳng (pittông và xilanh) mang cơ cấu chấp hành 7 như đầu bào, các chuyển động thẳng cho bàn máy ; hoặc tới một cơ cấu chấp hành nhận đồng thời cả hai chuyển động thẳng và quay bằng năng lượng chất lỏng như đầu búa khoan thuỷ lực (quay tròn để cắt, dao động thẳng để đập)

Đặc trưng về kỹ thuật cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền dẫn phải bảo đảm các yêu cầu:

- Về động học: Tốc độ nmin - n max hoặc vmin * vmax

Tín hiệu điều khiển vào X (hình 0.1) qua trung tâm xử lý điều khiển 1 đến các cơ cấu, hoặc bộ phận chấp hành điều khiển (đơn lẻ hoặc kết hợp điều khiển): động cơ điện

2, bơm 3, cơ cấu điều chỉnh điều khiển 4 qua động cơ 5 hoặc 6 đến cơ cấu chấp hành 7

Cơ cấu chấp hành 7 coi đại lượng ra là Y Đại lượng ra Y có thể là: tốc độ, thời gian, vị trí, lực hoặc công suất truyền Sơ đồ khối của mạch điều khiển kín cho hệ thống thuỷ - khí được chỉ trên hình 0.2a

Hình 0.2 Mạch điêu khiển

X là tín hiệu vào thường là các đại lượng vật lý như hành trình dịch chuyển hoặc tốc độ, thời gian, lực hoặc áp suất tác dụng, điện từ kể cả ánh sáng được chuyển vào vật mang tin (dưỡng, bìa đục lỗ, đĩa từ ), qua bộ phận xử lý tín hiệu đến khuếch đại (KĐ), sau đó đến chấp hành điều khiển (CHĐK) như các van, rơ le, và cuối cùng đến

cơ cấu chấp hành Y Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành với điều khiển mạch kín phải dùng các cảm biến 8 (hình 0.1) (cảm biến hành trình, tốc độ, thời gian, lực hoặc áp suất ) chuyển qua bộ phận liên hệ ngược (LHN) xử lý và gửi về bộ phận nhận tín hiệu để bảo đảm cho tương thích với yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành.Hình 0.2b mô tả mô hình toán học chung cho hệ điều khiển với nhiều tín hiệu vào

và ra được sử dụng tham số thời gian t Phương trình để giải quyết có thể dưới dạng hàm tường Y(t) = F(Xt) hoặc ẩn F(X, Y) = 0

Truyền dẫn bằng chất lỏng (dầu) hoặc khí, hai dạng truyền dẫn này về bản chất là như nhau tức là dùng năng lượng áp suất (thế năng) biến thành cơ năng để quay hoặc tịnh tiến cho cơ cấu chấp hành, v ề hình thức, kết cấu và chức năng của các phần tử trong hệ thống truyền dẫn bằng dầu và khí là gần giống nhau Song về công dụng, ưu nhược điểm có khác nhau Các công thức tính toán cho truyền dẫn là gần giống nhau, chỉ khác nhau về hệ số phản ánh bản chất vật lý của dầu và khí

Chương 1ĐẠI CƯƠNG VỂ TRUYỂN DẪN THỦY L ự c

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG V É TRUYỀN DÂN BĂNG CHẤT LỎ NG

Nối từ nguồn truyền động đến các cơ cấu chấp hành bằng truyền dẫn cơ khí dùng các bộ truyền như: đai truyền, bánh ma sát, xích, bánh răng; còn truyền dẫn bằng chất lỏng tức là khâu truyền dẫn dùng chất lỏng

Truyền năng lượng bằng chất lỏng có thể thực hiện dưới các dạng sau đây:

1.1.1 Thế năng - dưói dạng áp suất p

Nếu có thể tích chất lỏng là V(đơn vị là m3) với áp suất p (đơn vị là N/m2) thì sẽ tích trữ năng lượng là E j:

Q - gọi là lưu lượng

Nếu có dòng chất lỏng với áp suất p chuyển động với lưu lượng là Q thì công suất thực hiện được là:

60.1000Với p đơn vị là N/m2; Q đơn vị là m3/ph

Trong truyền dẫn ở các máy khối lượng chất lỏng và vận tốc chuyển động không cao, nên khi tính toán truyền dẫn cho mạch động lực bỏ qua năng lượng này.

Vậy truyền dẫn thuỷ lực trong máy dùng thế năng dưới dạng áp suất là chính

1.2 HỆ THỐNG THUỶ Lực THỰC HIỆN CHUYÊN động thang

Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ hệ thống thuỷ lực thực hiện chuyển động thẳng với bơm lưu lượng không đổi

Hình 1.1.

1 Bể dấu- 2, 2' Bộ lọc thô, tinh; 3 Bơm; 4 Van cản; 5 Van trượt điều khiển 5/2; 6 Xilanh;

7 Pittông; 8 Càng gạt điều khiển; 9 Van tiết lưu; 10 Van một chiều; 11 Áp kế; 12 Van an toàn.

Nguyên lý làm việc:

Bơm dầu 3 hút dầu từ bể dầu lqua bộ lọc thô 2 tới bộ lọc tinh 2', rồi qua van một chiều 10 (van một chiều 10 để giữ dầu trong đường ống khi bơm ngừng hoạt động)

Tiếp tục dầu được đẩy qua van tiết lưu 9 (để điều chỉnh tốc độ V của bàn máy) vào cửa p của van đảo chiều 5, sau đó qua cửa B vào bên phải của xilanh 6 đẩy pittông có cán 7 gắn với bàn máy, bàn máy chuyển động sang trái Dầu từ buồng trái của xilanh 6 đi qua cửa ra T của van 5 và qua van cản 4 (để bàn máy chuyển động êm và giữ dầu trong đường ống khi ngừng hoạt động) về bể.

Khi bàn máy chuyển động sang trái ở cuối hành trình, vấu di động (gắn liền với bàn máy) tác động vào đầu trên của càng gạt điều khiển 8, làm con trượt của van trượt điều khiển 5 dịch sang trái mở cửa A cho dầu từ p qua A tới buồng trái của xilanh 6, đẩy bàn máy chuyển động sang phải Dầu từ bên phải của xilanh 6 qua B rồi van cản 4 về bể Quá trình đi về của bàn máy hoạt động được lặp lại

Khoảng cách vấu di động xác định hành trình chuyển động của bàn máy

Trong sơ đồ trên còn bố trí đồng hồ đo áp lực là áp kế 11 Van an toàn 12 để đảm bảo an toàn khi làm việc, tức là phòng quá tải Nguyên lý làm việc của van an toàn 12 là: giả sử hệ thống bình thường làm việc với áp suất p, khi quá tải bàn máy chuyển động chậm lại hoặc ngừng chuyển động, áp suất trong đường ống tăng quá áp sụất p, van an toàn sẽ mở để dầu từ bơm về bể

Tốc độ chuyển động của bàn máy: Lưu lượng dầu qua van tiết lưu là Q(m3/ph) chảy vào xilanh 6 tác động lên diện tích làm việc F(m2) của pittông, mang bẩn máy chuyểnđộng với vận tốc V sẽ là: V = — (m/ph)

Diện tích làm việc của pittông khi thực hiện Vj và v2 là như nhau:

F = — (D2- d2) 4

7 ĩ (D2 - d 2) - thường dùng cho máy mài.

(bàn máy mang phôi, hai chiều đi và về của bàn máy đều được mài)

Công suất truyền dẫn: Công suất của nguồn thuỷ lực phải thắng được công suất thực hiện truyền động cơ học của cơ cấu chấp hành

Trong trường hợp chuyển động thẳng như sơ đồ trên (hình 1.1), giả thiết bàn máy chuyển động sang phải với vận tốc V với tải trọng do lực cắt chẳng hạn cùng với lực ma sát trên bàn trượt bàn máy, ma sát pittông và xilanh chuyển về lực tác dụng trên cán pittông là p (N) thì công suất cơ học là:

phLực p phải cân bằng với lực do áp lực p J tác dụng trên diện tích F: p = p , F (tạm bỏ qua lực do áp suất p2)

Vận tốc V xác định: V = (Q được điều chỉnh bằng van tiết lưu 9)

FThế V vào trên ta có: N = p , Q

Nếu gọi: p„ - là áp suất dầu ra của bơm ' n;

Tlbr)b - hiệu suất của bơm

Áp suất p„= p I + 2 A p v

ZA p v - là tổng tổn thất áp suất trên đường vào xilanh, cách xác định p ! và IA p

sẽ trình bày ở các phần sau

Lưu lượng Q b là lưu lượng lớn nhất cần thiết, ví dụ: Q b = F V .

1.3 HỆ THỐNG THUỶ Lực THỰC HIỆN CHUYÊN ĐÔNG QUAY

Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ hệ

thống thuỷ lực thực hiện chuyển động

quay với bơm lưu lượng không đổi

Trong sơ đồ này có lắp thêm các

- Ăcquy 7: Để cải thiện ổn định

áp suất dầu vào hệ thống

- Động cơ dầu chuyển động quay

6: Ví dụ dùng cho khoan đất đá trong

khoan cắt, để lùi mũi khoan, hoặc

vào các máy và thiết bị khác

Nguyên lý làm việc:

Tương tự như phần trên đã trình

bày Trong sơ đổ này khi chưa có tín

hiệu tác động vào nam châm từ Nj, N2

+

1 Bể dầu; 2 Bộ lọc thô, tinh; 3 Bơm; 4 Bộ ổn tốc;

5 Van trượt điểu khiển (van đảo chiều 5/3);

6 Động cơ dầu; 7 Ăcquy; 8 Áp kế; 9 Van an toàn.

nhờ lực lò xo ở hai phía trong van đảo chiều 5 làm con trượt trong van ở vị trí giữa, lúc này cửa A và B đóng, động cơ không quay (nd = 0), dầu từ bơm qua van an toàn 9 về bể Giả sử khi nam châm NI có điện, con trượt trong 5 dịch chuyển sang trái cửa dầu p nối

A và B nối T, động cơ sẽ quay theo chiều nd Tốc độ quay của động cơ được điều chỉnh bằng lượng dầu đi qua van tiết lưu trong bộ ổn tốc 4 về bể Tương tự như vậy khi nam châm N2 có điện cửa p nối B và A nối T động cơ thực hiện quay nã

Như phần đầu đã nêu, bơm dầu thực hiện nguyên lý cơ năng (quay trục bơm) biến thành thế năng dưới dạng áp suất p của chất lỏng Động cơ thì ngược lại, với thế năng dưới dạng áp suất p các chất lỏng làm quay trục động cơ dầu Nếu như không kể đến tổn thất, thông số (p,Q) của bơm dầu và động cơ dầu như nhau thì công suất của động

cơ dầu cũng được tính như bơm dầu:

N = — EO— [kW]

60.1000Nếu tính với mômen M [N.m] trên trục động cơ dầu có số vòng quay n d (vg/ph)thì:

M = 0,0163p.qd (N.m)Tốc độ vòng quay của động cơ dầu từ (1.6) ta có:

Nghĩa là n d được điều chỉnh bằng van tiết lưu trong bộ ổn tốc 4 (hình 1.2)

Nếu bơm và động cơ dầu điều chỉnh được lưu lượng ta có các phương pháp điều chỉnh n d: Ta gọi q b và n b là lưu lượng riêng (m3/ph) và số vòng quay của bơm Ịvg/ph] thì lưu lượng của bơm là: Qb = nb qb

Nêu như không kể đến tổn thất thể tích thì ta coi động cơ dầu nhận toàn bộ lưu lượng của bơm đưa tới ta có: nb qb = nd qd

Hay n d = n b- Qh (1.9)

%

Từ đây ta có 3 phương pháp điều chỉnh số vòng quay của động cơ dầu:

- Thay đổi lưu lượng riêng qb của động cơ dầu Trường hợp này mômen của động

cơ dầu sẽ thay đổi (theo công thức 1.7) và công suất của động cơ dầu sẽ không thay đổi với sự thay đổi số vòng quay nd của động cơ dầu

- Thay đổi lưu lượng riêng qb của bơm tức là thay đổi lưu lượng của bơm dẫn đến thay đổi lưu lượng dầu qua động cơ dầu Trường hợp này công suất của động cơ dầu thay đổi và mômen sẽ không đổi với sự thay đổi của nd

- Thay đổi số vòng quay nb của bơm, tương tự như trường hợp thay đổi qb

1.4 MỘT SỐ TÍNH CHẤT c ơ LÝ CỦA CHẤT LỎNG DÙNG TRONG TRUYỀN DẪN

1.4.1 Độ nhót

Độ nhớt là đặc trưng quan trọng cho chất lỏng

truyền dẫn cũng như bôi trơn

Giả sử có nguồn chất lỏng có áp suất là p và lưu

lượng Q chảy qua một ống có kích thước hạn chế (hình

1.3) Do hiện tượng bám thành, lớp chất lỏng bám

thành không chuyển động, đồ thị biểu thị tốc độ tức

thời được chỉ trên hình 1.3 Qua đây, ta nhận thấy có

sự trượt tương đối giữa các lớp chất lỏng Có sự trượt

tương đối sẽ sinh ra lực ma sát Độ nhớt của chất lỏng

được đặc trưng bởi nội ma sát trong chất lỏng khi

n - hệ số phụ thuộc vào loại chất lỏng:

n < 1 có ứng suất trượt lớn, ma sát lớn, loại này tương

ứng với chất lỏng dạng "sệt" như thuốc đánh răng, mỡ

n > 1 có ứng suất trượt bé, ma sát nhỏ, có thể chất

lỏng tự bốc hơi được như xăng, benzen ẹhẳng hạn

Trong truyền dẫn thuỷ lực, dùng loại chất lỏng có n = 1 - gọi

là chất lỏng Niutơn - dầu Niutơn, với n = 1 thì độ nhớt động

lực học r| được suy từ (1.10) có đơn vị là:

Hình 1.4 Biểu diễn quan hệ (1.10)

3 Độ nhớt Engler (ký hiệu E°)

Độ nhớt Engler là tỷ số quy ước để so sánh thời gian chảy của 200cm3 chất lỏng (dầu) qua ống dẫn có đường kính trong 2,8mm với thời gian chảy của 200cm3 nước cất

ở nhiệt độ 20°c qua ống dẫn có cùng đường kính.

Độ nhớt Engler của dầu tuỳ theo hãng sản xuất đưa ra số liệu ở các nhiệt độ khác nhau E°2(), Eo40, ẽ °50, E°10() - đo ở nhiệt độ 20°c, 40°c, 50°c, 1Ò0°C.

Ví dụ dầu công nghiệp 30 có độ nhớt E°,(l = 3,81-4- 4,59 nghĩa là ở 50°c dầu đó đặc hơn nước từ 3,81- 4,59 lần.

Mối quan hệ giữa độ nhớt động học và độ nhớt Engler thể hiện theo công thức sau:

Ghi chú: Trong nhiều trường hợp cần pha trộn dầu có độ nhớt khác nhau để được

loại dầu có độ nhớt cần thiết Công thức thực nghiệm:

1.4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đối với dầu khoáng: nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt càng giảm (dầu loãng hơn) Sự thay đổi này được thể hiện qua quan hệ:

r 50 V

V t )

u„ o5() - là độ nhớt động học dầu ở nhiệt độ t°c, 50°c.

n - chỉ số phụ thuộc vào độ nhớt của từng loại dầu (xác định bằng thực nghiệm)

Sự thay đổi nhiệt độ khi làm việc càng ít càng tốt vì khi nhiệt độ thay đổi độ nhớt của dầu thay đổi sẽ làm cho hệ thống làm việc kém ổn định Đánh giá sự thay đổi này

uí 00

Ta luôn mong muốn chỉ số độ nhớt k « 1 Để đạt được điều này người ta cho thêm chất phụ gia vào dầu khoáng - dầu tổng hợp.

1.4.2.2 Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất tăng, độ nhớt của dầu cũng tăng theo quan hệ:

Op =0o-ap

T|0,TỊ — độ nhớt ở áp suất khí quyển, áp suất p:

o , u — độ nhớt động học ở áp suất khí quyển, áp suất p;

k — hệ số phụ thuộc vào dầu có độ nhớt: với u 50 < 15cSt —» k = 0,02

với u50>15 cSt —> k = 0,003

Ta thấy độ nhớt này tăng không nhiều, khi tính toán trong truyền dẫn cho thiết bị

và máy móc thường lấy cố định theo tiêu chuẩn đã ghi cho mỗi loại dầu

1.4.2.3 Độ đàn hói của dầu

Khi dầu chịu áp suất cao sẽ bị biến dạng, thể tích bị giảm Trong hệ thống dầu ép, đặc biệt khi áp suất thay đổi, sự biến dạng đó luôn thay đổi sẽ gây ra rung động và truyền động trong hệ thống không ổn định

Thể tích dầu bị giảm A V được xác định theo:

Ed

A p - hiệu áp suất trước và sau khi chịu áp^N /m 2 )

( Ap < 0 - chịu nén, Ap > 0 - nở ra)

E d - môđun đàn hồi của dầu^N /m 2Ị

Trong giới hạn áp suất (5 -100) bar, E d = (1,4-ỉ-1,75)

109-^r-m

Và áp suất < 5 bar thì Ed = O^S.IO9- ^ -

1.4.2.4 Ảnh hưởng của không k h í lẩn trong dâu

Thông thường trong hệ thống chuyển động bằng dầu ép lượng không khí lẫn trong dầu từ (0,5 — 5%) thể tích của dầu (có khi đến 15% -r 20%) Cứ tăng áp suất khí 1 at lên

bề mặt dầu thì khí lẫn trong dầu khoảng 10% thể tích dầu

Khí lẫn trong dầu làm thay đổi độ nhớt của dầu (chất lỏng không đồng nhất), có quan hệ:

lẫn không khí và dầu không lẫn không khí

Điều đáng chú ý nhất là không khí lẫn trong

dầu làm giảm môđun đàn hồi khi làm việc (hình

1.5), giảm độ ổn định truyền động của cơ cấu

Làm chuyển động bị đứt quãng, rung động, chậm

truyền tín hiệu cho cơ cấu

Hình 1.5 Ảnh hưỏrtg của khí lẫn trong dầu dến môđun đàn hồi của dầu

Việc giảm lượng không khí lẫn trong dầu cũng là để giảm chất bẩn trong không khí lẫn vào dầu Trong khí quyển cứ một lít không khí thì có 10 4- 200.000 số lượng hạt bẩn

có kích thước từ (5L- 10) pm Trong đó có 80% hạt bẩn là bụi thiên thạch có độ cứng là

7 đơn vị, 17% là ôxyt nhôm có độ cứng là 9 đơn vị, còn lại là các thứ khác (kim cương

có độ cứng là 10 đơn vị, thép: 4,4; đồng: 3, nhôm 2,9 đơn vị)

Dầu bẩn sẽ ảnh Hưởng đến độ tin cậy và khả năng làm việc của thiết bị Theo tổng kết của nhiều tài liệu dẫn ra cứ có 100 sự cố trong hệ thống dầu ép thì có 80 - 90 sự cố

là sử dụng dầu bẩn Các hạt bẩn có tác hại: làm tắc dòng chảy ở van tiết lưu, van phân phối, làm gián đoạn màng dầu ảnh hưởng xấu cho bôi trơn, làm rung động trong hệ thống, gây xước, mòn bề mặt làm việc của pittông,xilanh Bởi vậy phải lọc sạch dầu trước khi sử dụng là rất quan trọng

1.4.3 Lựa chọn dẩu

Chọn dầu trong hệ thống truyền dẫn phải đảm bảo các chỉ tiêu về kỹ thuật, sau đó

là chỉ tiêu kinh tế và an toàn làm việc, chú ý giảm ô nhiễm môi trường

1.4.3.1 Chỉ tiêu vê k ỹ thuật: Với nguyên tắc chung là độ nhớt phù hợp với điều kiện

làm việc:

- Hệ thống làm việc với vận tốc cao, yêu cầu chọn dầu có độ nhớt thấp để giảm ma sát sinh nhiệt.

- Hệ thống làm việc với áp suất cao, yêu cầu chọn dầu có độ nhớt cao để giảm sự dò rỉ

1.4.3.2 Vê' các vấn đê' này cẩn luu ý

a) Đối với hệ thống dầu ép thực hiện chuyển động thẳng làm việc với khoảng áp suất từ (20-ỉ-30) bar có vận tốc V > 8 m/ph, thường dùng dầu có độ nhớt (11 -ỉ-20) cSt

b) Đối với hệ thống dầu ép thực hiện chuyển động quay thường dùng dầu có độ nhớt (204-40) cSt

c) Đối với hệ thống làm việc với áp suất từ (304-70) bar, thì dùng dầu có độ nhớt (30 50) cSt; áp suất từ (70 -ỉ-175) bar thì dùng dầu có độ nhớt (60-ỉ- 100)cSt; với áp suất

>175 bar thì dùng dầu có độ nhớt từ (100 4-200) cSt

Để tạo nên chất lỏng có độ nhớt cao người ta dùng những hỗn hợp đặc biệt gồm nhiều chất lỏng khác nhau như dầu hoả, các loại dầu, các chất lỏng tổng hợp

1 Đối với hệ thống làm việc trong giới hạn nhiệt độ t khá rộng (t - 2 0 + 7 0 °c) thì

có thể dùng dầu có độ nhớt (20 4- 30) cSt Nếu cần đảm bảo độ chính xác truyền động trong trường hợp thay đổi nhiệt độ rộng ta dùng dầu tổng hợp có tên là Silicôn Nó là chất trùng hợp hữu cơ Silic có nhiệt độ đông đặc từ -50° đến -70°c và độ nhớt ít bị thay đổi trong giới hạn nhiệt độ cao Một số loại dầu điển hình được ký hiệu theo ISO ở bảng dưới đây:

Kỷ hiệu theo ISO Độ nhót trung bình

2 Độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ (K ^iy vì khi nhiệt độ thay đổi, độ nhớt thay

đổi dẫn đến điều kiện làm việc các hệ thống không ổn định

3 Đảm bảo tính bôi trơn tốt, không phá huỷ (ôxy hoá, cong vênh, mòn ) các bề

mặt tiếp xúc

4 Dầu ít bị ôxy hoá, dẫn nhiệt tốt, dễ tách nước, môđun đàn hồi ổn định: ít lẫn không

khí An toàn khi sử dụng như dùng dầu ít gây độc hại, ít bốc hơi ở nhiệt độ môi trường làm việc và chú ý phải xử lý dầu có độ tinh sạch cần thiết - phải có bộ lọc phù hợp

1.5 HIỆU SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DAN d ầ u é p

Mạch động lực trong hệ thống truyền dẫn thuỷ - khí được mô tả trong hình 0.1 bao gồm từ: Động cơ điện - bơm - ống dẫn chất lỏng - cơ cấu điều khiển, điều chỉnh (các loại van chỉnh áp, chỉnh lưu, chỉnh hướng ) đến động cơ chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay Hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống này được đánh giá bằng tỷ số giữa công suất ra của động cơ thuỷ khí và công suất vào của trục bơm

Các dạng tổn thất trong hệ thống:

Mỗi một phần tử chức năng tham gia trong truyền dẫn đều có tổn thất về năng lượng nhất định Trong hệ thống truyền dẫn này có hai phần: tổn thất cơ khí và tổn thất trong dòng chảy

1.5.1 Tổn thất cơ khí

Là tổn thất do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối như tổn thất trong ổ bi lắp trong bơm, lắp trong động cơ dầu chuyển động quay; tổn thất trong pittông và xilanh, cán pittông với vòng chắn dầu trong chuyển động thẳng (động cơ dầu chuyển động thẳng).Tổn thất cơ khí trong bơm được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí của bơm:

N

6.10

p - áp suất của dầu, ( N /m 2);

N0<^- công suất thực tế đo trên trục bơm

Hiệu suất cơ khí của động cơ dầu:

N d - công suất đo trên trục động cơ dầu

N H]- công suất tương ứng với lưu lượng dầu Q dthực tế chảy qua động cơ và áp suất để quay động cơ:

N , = - £ % [kW]

ảnh hưởng nhiều nhất Tổn thất có thể xảy ra ở các bộ phận trong hệ thống dầu ép,

nhưng đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng: bơm dầu, động cơ dầu (xilanh truyền lực)

Tổn thất thể tích của bơm được thể hiện bằng hiệu suất thể tích của bơm:

Qb - lưu lượng thực tế của bơm khi làm việc với áp suất p

Q0 - lưu lượng danh nghĩa của bơm, có thể lấy bằng trị số lưu lượng khi p = 0

a)

Hình 1,6 Quan hệ p - Q cho bơm dầu

a) Sơ đổ ký hiệu; b) Quan hệ p - Q cho bơm dầu.

Hình 1.6a là sơ đồ ký hiệu bơm lưu lượng cố định và hình l.ổb biểu diễn quan hệ giữa p - Q kể đến sự dò rỉ dầu của bơm Đường lý tưởng là khi áp suất tăng không có dò

rỉ Qb = Q0 (điều này khó thực hiện)

Tương tự cho động cơ dầu, hiệu suất thể tích của động cơ dầu là:

= Qd

Q - lưu lượng dầu vào bơm;

Q J - lưu lượng chảy qua bơm để tạo số vòng thực nđ của bơm Theo công thức (1.6): Qd = nđ.qd

Hình 1.7 Quan hệ p - Q cho động cơ dầu

a) Sơ đồ ký hiệu; b) Quan hệ p - Q cho động cơ dầu.

Mômen tải trọng M (với chuyển động quay) và lực p (đối với chuyển động thẳng) tăng lên thì sự dò rỉ càng lớn Nếu không kể đến dò dầu trên đường truyền thì tổn thất thể tích trong hệ thống được xác định theo hiệu suất thể tích là:

Tl = rl 1h-ĩl1d

1.5.3 Tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do sức cản trên đường truyền động của dầu từ bơm đến động cơ dầu Sức cản này phụ thuộc vào nhiều yếu tố do: chiều dài ống dẫn, thay đổi tiết diện ống dẫn, thay đổi hướng chuyển động, tốc độ và loại dầu hay độ nhớt của dầu Hiệu suất áp suất được tính theo:

_ P _ P o - AP - 1 AP

p0 và p - áp suất vào và ra trong hệ thống

A p- tổn thất áp suất trên đường dẫn: Ap = Po - pNhững yếu tố về hình dạng hình học trên đường dẫn dầu ảnh hưởng tới Ap thể hiện trên

hình 1.8 Tổn thất trên chiều dài t của ống; tổn thất do thay đổi tiết diện (đột mở, đột thắt); tổn

thất do ống bị cong - thay đổi hướng chuyển động của dầu

77777 h

Hình 1.8 Dạng tổng quát cho ống dẫn

Những yếu tố hoặc những trị số đặc trưng cho sức cản thuỷ lực gọi là trở thuỷ lực R; gây ra biến dạng gọi là trở biến dạng; gây ra thắng lực quán tính gọi là trở quán tính.

a) Tẩn thất áp suất trên chiều dài ống có tiết diện không đổi

Tổn thất này còn phụ thuộc vào chảy tầng hoặc chảy rối Đặc trưng cho chế độ chảy tầng hoặc rối bằng trị số Reynol (Re):

Re < 2300 có dòng chảy tầng (dòng chảy tuyến tính)

Re > 2300 có dòng chảy rối (dòng chảy phi tuyến)

Trong trường hợp ống dẫn có chiều dài l > lOOd, cần phải tính đến tổn thất áp suất

do ma sát của dầu trong ống dẫn Theo [1], tổn thất do ma sát trong ống dẫn với tiết diện tròn tính theo:

(1.13)gọi là trở thuỷ lực tuyến tính

o.,Thay giá trị K trên vào (1.12) ta có:

32,2r|.la412r|.lab324t|.ln(D + d)s3

d » s; 1» s

Hình 1.9 Mô tả các tiết diện chảy

Với khe hở lệch tâm 1.9d:

R =

R =

24r|.l7i(D + d)s3 1 + 1,5 24r|.l

vsy khi e = s

Ở đây: p - khối lượng riêng của dầu,

g - gia tốc trọng trường,

kgm

c) Tổn thất áp suất đ ể thắng quán tính dầu

Giả sử cần đẩy khối lượng dầu m

chuyển động với gia tốc a (khi khởi động

dvThay Ap = p, - p2: À p.S-m — = 0

d) Tổn thất áp suất làm biến dạng dầu và thành ống

Giả sử có thể tích dầu ban đầu V0 = l.s ở áp

suất p ị Khi tăng lên áp suất p2 dầu chịu nén

Ap' = ^ í AQ'd l= D - í AQ.'dt'-o

Dj - trở biến dạng của dầu;

C] - gọi là dung kháng của dầu; ký hiệu: -1 I

-c

Tương tự tính cho ống bị biến dạng Ta có quan hệ tổng quát cho ống chịu áp lực:

Ap = Ap, + Ap2 = (D, + D2 ) j[ ( AQ, + AQ2 )dt

1.5.4 Hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống

Sơ đồ tổng quát để tính hiệu suất thể tích và hiệu suất áp suất:

Ở đây:

^ Apj - tổng tổn hao áp suất do trở thuỷ lực (phần 1.5.3a);

^ Ap2 - tổng tổn hao áp suất do trở quán tính (phần 1.5.3b);

^ Apd,^ ] Ap0 - tổng tổn hao áp suất do gây biến dạng dầu vào ống (phần 1.5.3c) - trở biến dạng

Hiệu suất các hệ thống truyền dẫn thuỷ lực là:

^1 h hom ‘^Itruycndan '^"Idongco

Chương 2

Cơ CÂU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

Cơ cấu biến đổi năng lượng trong dầu ép là những bộ phận dùng để thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, nhằm thực hiện một công có ích Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cần biến đổi, cơ cấu biến đổi năng lượng có thể là bơm dầu, động cơ dầu, xilanh truyền lực (xilanh truyền lực có thể coi là động cơ dầu dùng để thực hiện chuyển động thẳng)

Về mặt kết cấu, bơm dầu và động cơ dầu giống nhau và có thể thay thế chức năng của nhau Sự khác biệt chủ yếu giữa chúng là sự chênh lệch về kích thước khi chúng có cùng một yêu cầu như nhau Do đó, những đặc điểm chung giữa chúng, ta sẽ đề cập đến

2.1 BƠM DẦU

Bơm dầu là một loại cơ cấu biến đổi năng lượng,

dùng để biến cơ năng thành động năng và thế năng (dưới

dạng áp suất) của dầu Trong hệ thống dầu ép chỉ dùng

loại bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi

năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm

việc: khi thể tích của buồng làm việc tăng, bơm hút dầu,

thực hiện chu kỳ hút; khi thể tích giảm, bơm đẩy dầu ra,

thực hiện chu kỳ nén Nếu trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt

một vật cản (thí dụ như đặt van), dầu bị chặn sẽ tạo nên

một áp suất nhất định Áp suất này phụ thuộc vào độ lớn

của sức cản và kết cấu của bơm

Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân biệt được hai loại bơm thể tích:

- Bơm có lưu lượng cố định (gọi tắt là bơm cố định), hình 2 la

- Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh (gọi tắt là bơm điều chỉnh), hình 2.1b

Bơm cố định dùng rất rộng rãi trong ngành chế tạo máy Một mặt vì kết cấu của nó đơn giản hơn bơm điều chỉnh, nên chế tạo, sửa chữa nó cũng rẻ hơn Mặt khác, bơm cố

Hình 2.1 Ký hiệu bơm dầu

a) Bơm cố định; b) Bơm điều chỉnh.

định có thể đảm bảo được mômen và công suất truyền động cố định (tất nhiên là có bị tổn thất công suất do tiết lưu).

- Trong những năm gần đây, bơm dầu điều chỉnh được sử dụng ngày càng nhiều, vì

• với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy, việc đảm bảo các yêu cầu về chế tạo bơmđiều chỉnh không thành vấn đề lớn Mặt khác, cổng suất truyền động của máy tăng, đòi hỏi những cơ cấu ít bị tổn thất năng lượng nhất Bơm điều chỉnh chỉ đưa vào hệ thống dầu ép lượng dầu cần thiết để thực hiện truyền động, không có lượng dầu thừa, nên hạn chế được nguồn sản nhiệt

Đứng về mặt kết cấu, bơm thể tích (cả bơm cố định và bơm điều chỉnh) có thể phân thành các loại chính như sau:

- Bơm bánh răng

- Bơm cánh gạt

- Bơm pittông

Nếu phân chia theo thông số kỹ thuật thì có:

- Bơm lưu lượng: lưu lượng lớn, áp suất nhỏ

- Bơm áp suất: áp suất lớn, lưu lượng nhỏ

Dưới đây ta lần lượt xét một số kiểu trong các loại đó

2.1.1 Bơm bánh răng

Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất, vì nó có kết cấu đơn giản Chế tạo

dễ Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ trên các máy khoan, doa, tổ hợp, bào, phay Trong những năm gần đây, hệ thống dầu ép có

áp suất cao được sử dụng rộng rãi, nó đòi hỏi những loại bơm dầu có áp suất cao Để tận dụng tính đơn giản của bơm bánh răng người ta đã tìm ra nhiều cách giải quyết về kết cấu nhằm nâng cao áp suất và hiệu suất của loại bơm này Hiện nay hiệu suất của bơm bánh răng có thể đạt được từ 80-^92% so với trước đây là 35-^50% và áp suất có thể đạt từ 160-^200 bar so với 10-H 16 bar trước đây Do đó phạm vi sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10-^200 bar

Bơm bánh răng có thể là loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc là ăn khớp trong và có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V Loại bơm bánh răng ăn khớp ngoài được sử dụng rộng rãi hơn vì chế tạo đơn giản hơn, nhưng bơm bánh rãng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn

Dưới đây ta xét một vài kiểu kết cấu của bơm bánh răng:

a) Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

Hình 2.2 là sơ đồ nguyên lý của bơm bánh răng ăn khớp ngoài Các buồng làm việc của bơm được tạo nên bằng thành thân bơm và các biên dạng của răng Thể tích của buồng hút và buồng nén được thay đổi do các răng ra khớp và vào khớp với nhau, và do

đó thực hiện chu kỳ hút và nén chất lỏng

Thân bơm có hai lỗ đối nhau: nếu bánh răng quay theo chiều mũi tên như ở hình vẽ, thì lỗ A hút dầu vào và lỗ B đẩy dầu ra Lỗ hút dầu vào được đặt ở phía ra khớp của răng Dầu ở đây sẽ choán lấy các rãnh răng, và các rãng đưa dầu sang buồng nén đặt ở

phía các răng vào khớp Khi các răng vào khớp, khoảng 1/10 thể tích dầu còn đọng lại ở chân răng bị nén lại, áp suất ở đáy chân răng tăng đột ngột, tạo thành một lực hướng kính tác dụng va đập vào bánh răng và ổ trục.

Hình 2.2 Bơm bánh răng khớp ngoài

Nhược điểm khác của bơm bánh răng là sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng vào

và ra, tạo nên một tải trọng không cân xứng, làm chóng mòn bánh răng, thành thân bơm, cũng như các ổ trục Lưu lượng dầu bị thay đổi theo thời gian, tạo thành độ nhấp nhô của lưu lượng dầu, và độ nhấp nhô này phụ thuộc vào số răng, môđun và hệ số ăn khớp của bánh răng

b) Bơm bánh răng ăn khớp trong (hình 2.3)

Nguyên tắc làm việc của bơm bánh

răng ăn khớp trong như sau: bánh răng (1)

quay bánh răng ăn khớp trong (2) làm cho

bánh răng ăn khớp trong chuyển động

trong thân bơm (3) Buồng vào A ngăn

cách với buồng ra B bằng vành chắn (4)

hình lưỡi liềm Khi các răng ra khớp, chất

lỏng ở buồng A choán toàn bộ thể tích các

rãnh răng (5) của bánh răng ăn khớp ngoài

và bánh răng ăn khớp trong Bánh răng

tiếp tục quay, tải dầu đi ngang qua vành

chắn (4) và đưa vào buồng B đẩy ra ngoài

Hình 2.3 Bơm bánh răng khớp trong

Ưu điểm của bơm bánh răng ăn khớp trong là có kích thước bé hơn và tổn thất thể tích nhỏ hơn bơm bánh răng ăn khớp ngoài khi có cùng một lưu lượng và dung sai chế tạo; nhưng chế tạo loại bơm này phức tạp hơn

c) Bom trục vít

Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, bề dày và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít Bơm trục vít thường có hai trục vít ăn khớp nhau, (có khi dùng 3 hoặc 5 trục vít) và thường được chế tạo thành 3 cỡ:

Bơm trục vít có khả năng cho giới hạn lưu lượng lớn: Q = (3 -H 5) 10:’ 1 / p h

Dưới đây ta xét loại bơm có hai trục vít (hình 2.4):

Bơm eồm có hai trục vít (ren trái hoặc

phải) ăn khóp với nhau và bề mặt tỳ sát

vào thành bơm Các chu kỳ hút và đẩy dầu

căn bản giống như bơm bánh răng: ở chỗ

ren ra khớp tạo nên một khoảng chân

không, dầu tràn vào đó, và đến chỗ ren

vào khớp dầu sẽ bị đẩy ra Sự khác biệt

giữa chúng là ở bơm trục vít dầu được

chuyển từ buồng hút A sang buồng nén B

theo chiều trục, và không có hiện tượng

chèn dầu ở chân ren

Nhược điểm của bơm trục vít là chế tạo

trục vít khá phức tạp, kích thước lớn, hiệu

suất thể tích thấp Nhưng ưu điểm căn bản của nó là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng bé và

có thể thực hiện được áp suất cao Do đó bơm trục vít thường được dùng làm bộ cung cấp năng lượng cho các hệ thống dầu ép ở phòng thí nghiệm

d) Bơm bánh răng điều chỉnh

Nói chung, bơm bánh răng thường được chế tạo dưới dạng là bơm cố định Tức là lưu lượng của nó không thể thay đổi Tuy nhiên có khi người ta cũng dùng bơm bánh răng điều chỉnh có cấu tạo như sau (hình 2.5)

Hình 2.5 Bơm bánh răn<5 diều chỉnh

Lưu lượng của bơm được thay đổi với sự thay đổi chiều rộng a, là chiều rộng ăn khớp nhau của hai bánh răng (1) và (2) Chiều rộng a được thay đổi nhờ bánh răng (3)

di động thanh răng mang bánh răng (2) theo chiều trục Hiệu suất của loại bơm này rất thấp và chủ yếu cũng dùng ở hệ thống có áp suất thấp

Để khắc phục các nhược điểm của bơm bánh răng, giảm tổn thất thể tích và đáp ứng nhu cầu về áp suất cao, người ta đã dùng một số biện pháp về kết cấu như sau:

- Để tránh tải trọng tác dụng về một phía, người ta làm các đường giảm tải (1) trong thán bơm, như ỏ' hình 2.2 Đường này nối liền rãnh xẻ (2) với buồng hút Rãnh (2) được đặt dối diện với buồng hút và tiếp xúc với bề mặt đỉnh răng Tương tự như thế, người ta làm đường (3) nối liền rãnh (4) với buồng nén Với kết cấu như thế, các lực hướng kính sẽ cân bằng, nhau Để sự cân bằng lực tốt hơn, rãnh đối diện với buồng nén cần làm to hơn rãnh đối diện với buồng hút

Biện pháp giảm tải trọng tác

dụng một phía có hiệu quả nhất

là dùng bơm có 3 bánh răng với

sơ đồ kết cấu như hình 2.6, và

dược gọi là bơm bánh răng kép

Truyền động của động cơ

điện được đưa vào bánh răng

giữa, mômen xoắn được cân bằng;

đồng thời người ta cũng dùng

các đường giảm tải như ở hình

2.2 Loại bơm này còn cho lưu

Hình 2.7 Khử hiện tượng kẹt dầu chân răng

a) Thoát dầu chân răng ; b) Thoát dầu mặt bên chân răng.

Cách giải quyết ở hình 2.7a là khoan những lỗ nhỏ đối xứng ở rãnh răng Một phần dầu bị nén ở chân răng theo các lỗ ấy vào phía trong và qua lỗ ở rãnh răng kế cận chảy

ra buồng nén Do đó, ở chân răng không xảy ra hiện tượng áp suất tăng đột ngột

Phương pháp thứ hai đơn giản hơn, khi chế tạo làm những rãnh dầu bị kẹt ở mặt bên của bơm như ở hình 2.7b có kích thước phụ thuộc vào khoảng chia răng t

Để nâng cao hiệu suất thể tích, chủ yếu là làm giảm khe hở ở mặt bên Dưới đây ta xét kết cấu có thể làm giảm khe hở của mặt bên dưới tác dụng của áp suất dầu (hình 2.8)

Để khử khe hở ở mặt bên, áp suất dầu từ buồng nén B được dẫn về ổ trục phía trái,

và làm cho các ổ trượt (1) luôn bị ép về bên phải, khử khe hở giữa mặt bên của bánh răntĩ và ổ trượt Với biện pháp này, khi áp suất của bơm p > lOObar cũng có thể đảm bảo hiệu suất tổn thất thể tích lớn hơn 90% và tổng hiệu suất của bơm có thể đạt từ

80h- 85% (tương ứng với hiệu suất của bơm cánh gạt) Một ưu điểm khác của kiểu điều chinh khe hở này là hiệu suất của bơm không bị ảnh hưởng do sự thay đổi độ nhớt của dầu (ở loại bơm đơn giản, hiệu suất của bơm giảm, khi độ nhớt giảm)

e) Lưu lượng bơm bánh răng

Khi tính lưu lượng dầu, ta coi thể tích dầu được đẩy ra khỏi rãnh răng bằng với thể tích của răng, tức là không tính đến khe hở chân răng và lấy hai bánh răng có kích thước như nhau (hình 2.9)

d - đường kính chia răng [cm];

b - chiều rộng của răng [cm|;

n - số vòng quay trong một phút [vg/ph]

thì lượng dầu do hai bánh răng chuyển đi khi nó quay một vòng:

Q = 7id2mb [cmVvg]

Nếu gọi z là số răng, và tính đến hiệu suất

thê’ tích r|t của bơm, thì lưu lượng của bơm

bánh răng sẽ là:

27ĩm2zbn

Hiệu suất của bơm bánh 1'ăng phụ thuộc vào

lưu lượng và áp suất, ta có thể chọn

T| = 0,75 -ỉ- 0,90 (cụ thể do nhà sản suất cung cấp)

Vận tốc của bơm bánh răng (hay số vòng

quay) bị giới hạn bởi độ nhớt và áp suất dầu

Ngoài ra nó cũng phụ thuộc vào lưu lượng và

các yêu cầu về độ êm chuyển động của bơm

Vận tốc tối thiểu của bơm dầu có thể xác

định bằng công thức thực nghiệm sau đây:

Chiều lộng của bánh răng thông thường là b = 12-r32mm

Để có lưu lượng lớn, cần dùng bánh răng có số ràng nhỏ và môđun lớn Nhưng số răng nhỏ quá sẽ làm cho độ đểu của lưu lượng bị giảm Trong trường hợp không cần lưu lượng đều (như bơm bánh răng cho hệ thống làm nguội) thì dùng bánh răng có số răng

từ z = 5 -f-10 Trường hợp cần thiết độ đều của lưu lượng cao, thì dùng z = 10 = 20 cho bánh răng ăn khớp ngoài, và bánh nhỏ ăn khớp trong không nhỏ hơn z = 7

Vật liệu bánh răng thường dùng:

Đối với áp suất thấp dùng thép 45, nhiệt luyện đến độ cứng HRC35

- Đối vói áp suất trung bình dùng thép 40X, tôi đến HRC 28-1-32

- Dối với áp suất cao dùng thép 18XTT, nhiệt luyện đến HRC 58-1-62 Vật liệu của trục truyền động cũng dùng thép 18XFT với độ cứng HRC 58-1-62

Lưu lượng của bơm trục vít có thể tính theo công thức:

Ttdhbn

Hình 2.9 Sơ đồ tính toán lưu lượng

bơm bánh răng

Ở đày: d - đường kính trung bình của ren ở trục chủ động [cm].

h - chiều cao của ren [cm]

b - chiều rộng của rãnh ren ở đường kính trung bình [cm ]

Sô vòng quay của bơm trục vít thường dùng n = 1500-r 3000 vg/ph

2.1.2 Bơm cánh gạt

Bơm cánh gạt cũng là loại bơm được dùng rộng rãi nhất sau bơm bánh răng, và cũn2 chủ yếu dùng ở hệ thống có áp suất thấp và trung bình So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt đảm bảo một lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn, do đó nó dùng rất thích hợp trong các hệ thống dầu ép của máy công cụ, như thực hiện lượng chạy dao ở máy tổ hợp, máy doa, máy tiện, máy phay; thực hiện chuyển động của bàn máv và các cơ cấu khác của máy mài, của các băng truyền, của cơ cấu kẹp chặt, cấp phôi trên máy tự động và đường dây tự động

Kết cấu của bơm cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nhưng có thể chia thành hai loại chính:

- Bơm cánh gạt có tác dụng đơn, gọi tắt là bơm cánh gạt đơn

- Bơm cánh gạt có tác dụng kép, gọi tắt là bơm cánh gạt kép

Ngoài ra, trên một số máy cũng đã bắt đầu sử dụng bơm cánh gạt có nhiều lần tác dụng

Ta lần lượt xét vài loại điển hình sau đây:

a) Bơm cánh gạt đơn dẫn dầu từ ngoài

Bơm cánh gạt đơn dẫn dầu từ ngoài thường dùng có lưu lượng điều chỉnh được.Hình 2.10 là sơ đồ nguyên lý của bơm loại này Nguyên lý làm việc của nó như sau: Rôto (1) được đặt trong stato (2) với độ lệch tâm e Trên thân rôto có các rãnh để các cánh gạt (3) có thể di động thẹo hướng kính Để giảm lực tiếp xúc giữa các đầu cánh gạt (3) và thành stato (2) do tác dụng của lực ly tâm, người ta cho cánh gạt

chuyển động cưỡng bức trong rãnh (4) có tâm là o và làm trên mặt bên Khi rôto

quay, các con lăn (5) (hoặc con trượt) lắp ở hai bên cánh gạt (3) di động của rôto, của bơm, trong rãnh (4), các thể tích được tạo nên giữa hai cánh gạt và các bề mặt sato luôn thay đổi Nếu rôto quay theo chiều mũi tên như trên hình vẽ, thì thể tích buồng A

sẽ lớn dần, thực hiện quá trình hút Trong lúc đó thể tích của buồng B nhỏ dần, thực hiện quá trình nén

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý bơm cánh gạt đơn

Để buồng hút luôn luôn được ngăn cách với buồng nén, góc cc cần phải lớn hơn góc chắn giữa hai cánh gạt kế tiếp nhau, tức là: a > p

zLưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm c (xê dịch stato 2 trong thân bơm) Nếu đường tâm o J trùng với đường tâm o , tức là e = 0, thì thể tích các buồng giữa các cánh gạt sẽ cố định khi rôto quay, và do đó lưu lượng bơm sẽ bằng 0 Nếu đường tâm Ỏ ! vượt quá đường tâm o về bên phải, các buồng hút và buồng nén của bơm sẽ đảo ngược lại

Tính lưu lượng của bơm cánh gạt là xác định thể tích giữa các cánh gạt, bằng cách lấy tích số của bề mặt đẩy dầu của cánh gạt và vận tốc vòng của nó

Nếu đặt D là đường kính của stato, B là chiều rộng cánh gạt, p là bán kính chạy của cánh gạt, n là số vòng quay trong một phút của rôto, thì ta có vận tốc của cánh gạt:

D

Vì các cánh gạt chuyển động

cưỡng bức trong rãnh (4) (hình 2.11)

với hai con lăn có đường kính d và

chiều cao b (hay chiều sâu của rãnh),

nên khi cánh gạt qua cung a' b ' , con

lăn đẩy thêm một lượng dầu q, và khi

qua cung c 'd ', làm giảm đi lượng dầu

q2 Do đó hiệu thể tích q = q! - q9

sẽ là lượng dầu phụ do con lăn tạo

nên, và phân lượng của nó là:

do đó lưu lượng toàn phần của bơm là: Q = Q, + q = 27ten(BD + 4b d )

Nếu kích thước có đơn vị là Ịcm], thì:

Loại bơm này có nhược điểm là tải trọng không cân bằng, dễ sinh rung động, nên chỉ thích hợp cho hệ thống có áp suất thấp và trung bình Số cánh gạt thường dùng từ 3 -H I Trong trường hợp số cánh gạt nhỏ hơn 3, nguyên lý kiểu bơm kể trên không thể thực hiện được Đối với lưu lượng và áp suất nhỏ, người ta cũng hay dùng loại bơm cánh gạt đơn dẫn dầu từ ngoài có hai cánh gạt như sau (hình 2.12)

Hình 2.12 Một số loại bơm cánh gạt

a) Hai cánh gạt đối nhau ; b) Một cánh g ạ t; c) Hai cánh gạt so le.

Điểm khác nhau căn bản giữa hai loại bơm này và các bơm cánh gạt đơn nói trên là một phần bề mặt rôto (1) của nó luôn tiếp xúc với stato (2) để làm nhiệm vụ ngăn cách buồng hút

A với buồng nén B; mặt khác bơm này cũng chỉ cho lưu lượng cố định (hình 2.12a)

Rôto (1) và stato (2) cũng đặt lệch tâm nhau một quãng e Trên rãnh của rôto chỉ có hai cánh gạt (3), và chúng được lò xo (4) luôn ép sát vào thành stato (2) Khi rôto quay, buồng phía cửa A lớn dần, nên thực hiện quá trình hút; buồng phía cửa B nhỏ dần, nên thực hiện quá trình nén Loại bơm này có lưu lượng là 5,7 1/ph và áp suất có thể đến l,5bar

Bơm cánh gạt chỉ trên hình 2.12b chỉ dùng một cánh gạt, và mặt trong của stato là hai C l i n s tròn có tâm cách nhau từ 0,1 4-1,1 mm Vì không cần dùng lò xo để đẩy cánh gạt, nên kết cấu chặt chẽ và đơn giản hơn Nhưng loại này yêu cầu bể mặt trong của stato chế tạo chính xác hơn

Hãng (Portable Electric Tools) (Mỹ) sản xuất loại bơm hai cánh gạt như sơ đồ ở hình 2.12c Các cánh gạt (1) và (2) đặt kề và trượt lên nhau trong một rãnh của rôto Trên mỗi cánh gạt đều có khoét lỗ vuông để đặt lò xo (3) ép cánh gạt vào thành stato

Ưu điểm của kiểu kết cấu này là tỷ số 12 Ị \ { lớn, do đó cánh gạt chuyển động trong rãnh

ổn dịnh hơn, và tuổi thọ của bơm cũng cao hơn Kiểu 100 của loại bơm này có lưu lượng là 3,8 1/ph với áp suất 0,6bar

Nếu đặt B là bề rộng của cánh gạt, thì lưu lượng của loại bơm hai cánh gạt có thể tính theo công thức sau đây [19]:

b) Bơm cánh gạt đơn dẫn dầu từ trong

Điển hình của loại bơm này là kiểu bơm Sturm của hãng Boehringer (Táy Đức) Nó

có kết cấu như hình 2.13

Hình 2.13 Bơm cánh gạt dẫn dầu từ trong

a) Mặt cắt ; b) Kết cấu đầu cánh gạt

Đặc điểm của bơm dẫn dầu từ trong là trục rôto không phải là trục then hoa thông thường như kiểu bơm dẫn dầu từ ngoài, mà nó là trục rỗng có kết cấu đặc biệt để tạo nên cửa hút A và cửa nén B Các cửa này được nối liền với những rãnh dầu (1) trên rôto Khi rôto quay theo chiều mũi tên như trên hình vẽ, các buồng dầu giữa các cánh gạt ở phía cửa hút A tăng'dần, quá trình hút dầu từ cửa A qua các rãnh (1) được thực hiện Trong khi đó, thể tích giữa các cánh gạt ở phía cửa B giảm dần, bơm thực hiện quá trình nén, dầu theo các rãnh hướng kính chảy vào cửa B đi ra ngoài.

Để giảm ma sát giữa các cánh gạt và stato (2), stato được lắp trên hai ổ bi, và nó cùng với hai mặt bên của bơm sẽ quay cùng chiều với rôto, nên chuyển động tương đối giữa hai chi tiết sẽ nhỏ

Ở bơm cánh gạt đơn, rôto đặt lệch tâm với stato, nên mặt tiếp xúc giữa hai đầu cánh

gạt và thành stato không được khít Để chắn khít được tốt hơn, ờ bơm Enor cũng như

bơm Sturm, người ta dùng thanh trượt đặc biệt (3) lắp trên đầu cánh gạt như hình 2.13b.Lưu lượng của bơm Sturm cũng được tính như ở bơm Enor, nhưng phải trừ bớt một lượng dầu bằng thể tích các cánh gạt, tức là: q = 2enBsz

Do đó lưu lượng của bơm:

Ở đây các kích thước có đơn vị là [cm], B là chiều rộng của cánh gạt Lưu lượng Q được điều chỉnh bằng điều chỉnh độ lệch tâm e

2.1.2.2 Bơm cánh gạt kép

Bơm cánh gạt kép là loại bơm mà

khi trục nó quay một vòng, thể tích giữa

các cánh gạt có hai lần tăng và hai lần

giảm, tức là nó thực hiện hai lần hút và

hai lần nén

Kết cấu của nó đối xứng, nên lực tác

dụng lên trục được cân bằng, có thể

dùng ở hệ thống có áp suất cao Loại

bơm này được dùng rộng rãi hơn loại

bơm cánh gạt đơn Lưu lượng của nó

được chế tạo từ 5 200 l/ph, và áp suất

có thể đạt đến 125bar Ở một vài nước

nén dân vào các ranh (3) ở phía dưới các cánh gạt, làm cho các cánh gạt luôn tỳ sát vào biên dạng (4) của stato.

Biên dạng (4) của stato có thể là đường elip, Acsimét hoặc là tổ hợp các cung tròn,

do đó khi rôto quay một vòng, thể tích các buồng giữa các cánh gạt có hai lần tăng và hai lần giảm Nếu như rôto quay theo chiều quay của kim đồng hồ, thì buồng (a) và buồng (b) ở đối diện với nó có thể tích tăng, thực hiện hút dầu Trong khi đó, thể tích của buồng (c) và (d) thì giảm, nên thực hiện quá trình nén Hai buồng hút và hai buồng nén đặt cách nhau 180°, do đó các lực được cân bằng, giảm tải cho ổ trục

Để ngăn cách buồng hút A với buồng nén B được tạo nên trên đĩa dẫn dầu lắp ở mặt bên của stato, góc a tương ứng với đoạn ngăn cách giữa hai buồng cũng phải thoả mãn

, ' 271

điêu kiện: a > —

z

Ớ dây: z là số cánh gạt

Biên dạng (4) của stato trên đoạn tương ứng với góc a cần là cung tròn có tâm o ,

để cho thể tích của hai cánh gạt sau khi đi qua buồng nén B đến buồng hút A không bị thay đổi, tức là khi qua cung tương ứng với góc a không có tác dụng hút và nổn

Để bề mặt dầu cánh gạt ép sát vào stato được tốt hơn, đồng thời cũng để tránh hiện tượng cánh gạt bị kẹt trong rãnh trượt khi đi vào phạm vi buồng nén, tức là khi cánh gạt

đi qua cung chuyển tiếp từ bán kính lớn đến bán kính bé, các cánh gạt cần đặt nghiêng với đường bán kính của rôto một góc 8 Nếu đường kính của rôto từ 0 5 6 85mm, thì

8 = 13 -r 15° Nếu đường kính khoảng 014Omm, thì 8 = 7-^8°

Việc dẫn áp suất dầu vào phía dưới cánh gạt làm cho đầu cánh gạt và mặt trong của stato tiếp xúc tốt hơn, nhưng đồng thời cũng làm cho biên dạng của stato chóng mòn có khi cũng dễ sinh hiện tượng cánh gạt bị kẹt vì áp suất không cân bằng (áp suất của mật tiếp xúc với buồng hút coi như bằng không) Do đó, ở những bơm cánh gạt có áp suất cao, người ta dùng loại cánh gạt giảm tải như ở hình 2.15:

2

Hình 2.15 Biện pháp giảm mòn của bơm cánh gạt

a) Hai cánh g ạ t; b) Một cánh gạt