Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 3: Truyền động thủy tĩnh

Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 3: Truyền động thủy tĩnh cung cấp cho người học những kiến thức như: Công dụng, yêu cầu đối với bơm và động cơ thủy lực; Các thông số cơ bản của bơm và động cơ thủy lực; Công suất của bơm và mô tơ thủy lực; Mô men của bơm và mô tơ thủy lực;.... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương III TRUYỀN ĐỘNG THỦY TĨNH

3.1 MỞ ĐẦU

Truyền động thủy tĩnh chủ yếu dựa vào tính chất không nén được chủa chất lỏng để truyền áp năng, nhờ đó có thể truyền được đi xa mà ít tổn thất năng lượng Để tạo ra áp năng lớn, nâng cao công suất truyền, trong truyền động thủy tĩnh người ta dùng các máy thủy lực thể tích như bơm, động cơ và xi lanh thủy lực.

Hệ thống truyền động thủy tĩnh có 3 cấu phần như sau:

1 Bơm (nguồn năng lượng): Cơ năng được biến thành áp năng của chất lỏng.

2 Động cơ hay xi lanh thủy lực: áp năng biến thành cơ năng của cơ cấu (biến áp năng thành chuyển động quay hay chuyển động tịnh tiến).

3 Phần biến đổi và điều chỉnh: Điều chỉnh hay điều khiển dòng năng lượng cho phụ hợp với yêu cầu của cơ cấu như điều chỉnh số vòng quay, điều chỉnh tốc độ chuyển động hay momen.

Ưu điểm: Truyền động thủy tĩnh được dùng nhiều trong các máy vì nó có ưu điểm là độ nhạy, độ chính xác, ổn định trong chuyển động của cơ cấu; điều khiển nhẹ nhàng và làm việc an toàn.

Nhược điểm:

1 Áp suất làm việc cao rất khó khan trong việc làm kín các buồng làm việc, các đầu ống nối, các bề mặt có sự chuyển động tương đối Chế tạo chi tiết phải có độ chính xác cao, gía thành đắt.

2 Yêu cầu cao về chất lỏng (sạch, không ăn mòn, bôi trơn tốt, độ nhớt ổn định khi nhiệt độ thay đổi.

CÁC THỨ NGUYÊN DÙNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC

 a) Áp lực dầu (P): 1Pa (Pascal) = 1N/m2

 c) Lưu lượng (Q): Lưu lượng của chất lỏng là lượng chất lỏng truyền đi trong 1 đơn vị thời gian 1lít = 1dm3 = 1m3 /1000

1m3/s = 103dm3/s = 6.104 lít/phút

chất lỏng truyền đi sau 1 vòng quay (của bơm hay động cơ)

 1 m3/vòng = 103dm3/vòng = 106cm3/vòng

CÁC THỨ NGUYÊN DÙNG TRONG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC

QUAN HỆ TOÁN HỌC GIỮA CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

Diện tích

bề mặt

Lực đẩy

Công suất Tốc độ

quay

Lưu lượng

Lưu lượng riêng

áp lực dầu Mô men Vận tốc

m3/s, l/ph

m/s, m/ph

3.2 CÔNG DỤNG, YÊU CẦU VỚI BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC

3.2.1 Công dụng, yêu cầu đối với bơm và động cơ thủy lực

Bơm thủy lực: được coi là như nguồn tạo nên dòng chất lỏng

có áp lực, được dùng để biến cơ năng thành năng lượng củadòng chất lỏng có áp chuyển động của chất lỏng

Động cơ thủy lực: Biến năng lượng của dòng thủy lực thành cơnăng

Động cơ thủy lực có chuyển động quay ở đầu ra còn gọi là mô

tơ thủy lực Động cơ thủy lực tạo ra chuyển động tịnh tiến gọi

là xi lanh thủy lực (xi lanh lực) Động cơ thủy lực tạo ra chuyểnđộng chuyển động quay không toàn vòng (xi lanh quay hoặc xilanh momen)

Công dụng:

Yêu cầu đối với bơm và động cơ thủy lực:

Các yêu cầu đặc biệt với Bơm và động cơ thủy lực

Với Bơm thủy lực:

- Chiều sâu hút lớn, hút tốt ngay với cả với số vòng quay cao;

- Dễ dàng thích ứng hệ thống để có dòng cung cấp chính xácsau khi điều khiển vô cấp

- Dòng cung cấp luôn ổn định trong moi phạm vi của áp lực

- Làm việc chắc chắn ngay cả trong chế độ năng nề (tải lớn, tốc

độ chậm)

Với Động cơ thủy lực:

- Nhạy cảm với sự điều chỉnh số vòng quay trong phạm vi rộng

- Luôn tạo được số vòng quay ổn định trong phạm vi của áp lực

- Độ không đồng đều của số vòng quay và mô men nhỏ ngay cảkhi số vòng quay thấp

3.2.2.Các thông số cơ bản của bơm và động cơ thủy lực:

3.2.2.1 Lưu lượng lý thuyết của bơm và động cơ thủy lực:

Các máy thủy lực theo nguyên lý choán chỗ (thể tích) được đặctrưng bởi thể tích choán chỗ V(cm3), có nghĩa là thể tích chất lỏngchoán chỗ sau một vòng quay Nếu gọi n là số vòng quay (v/ph) thìlưu lượng lý thuyết QLT với loại máy này xác định theo quan hệ:

Q LT = V.n (cm3/ph)

3.2.2.2 Tổn thất lưu lượng trong quá trình làm việc

Tổn thất QK cũng được bỏ qua đối với moto thủy lực vì tổn thất này trên thực tế rất nhỏ.

3.2.2.3 Công suất của bơm và mô tơ thủy lực

3.2.2.4 Mô men của bơm và mô tơ thủy lực

3.2.2.5 Hiệu suất của bơm và mô tơ thủy lực

3.3 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC

Bơm và mô tơ thủy lực thuộc nhóm máy thủy lực thể tích, trong đó bơm tạo áp lực và hình thành dòng chảy dầu thủy lực còn động cơ thủy lực thể tích biến áp năng thành cơ năng cuả nó.

Về nguyên tắc, bất kỳ máy thủy lực thể tích nào cũng có thể làm việc thuận nghịch nghĩa là làm được 2 nhiệm vụ của bơm

và động cơ có các loại chính như sau:

1 Bơm và động cơ thủy lực dạng pit tông roto bao gồm:

Bơm và động cơ thuỷ lực

 Dấu hiệu hoạt động và ký hiệu:

Hình 3.1 Dáu hiệu hoạt động và ký hiệu của máy thuỷ tĩnh

a) Bơm; b) Động cơ thuỷ lực 1- Thể tích làm việc không đổi; 2- Thể tích làm việc thay đổi được

3- Một chiều dòng; 4- Hai chiều dòng.

3.3.1 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC KIỂU PITONG ROTO

Bơm - động cơ thuỷ lực Piston rôto

Đặc điểm:

- Tạo áp suất cao với lưu lượng không lớn lăm

- Có khả năng thay đổi lưu lượng một cách dễ ràng, trong khi vẫn giữnguyên áp suất và số vòng quay làm việc Cũng tương tự như bơmpít tông áp suất của máy không phụ thuộc vào lưu lượng và số vòngquay

- Hiệu suất tương đối cao

bố trí trong một khối trụ tròn có chuyển động tròn gọi là roto Khi khối xilanh (roto) quay thì chuyển động tịnh tiến tương đối giữa pit tông và xilanh

Bơm và động cơ pit tông roto có kết cấu hoàn toàn như nhau

(tính thuận nghịch) Động cơ thì làm việc với momen quay không đổihoặc thay đổi cũng như bơm có thể làm việc với lưu lượng không đổihoặc thay đổi.

Bơm - động cơ thuỷ lực Piston rôto hướng kính (hướng tâm)

1- rôto; 2- stato; 3- piston trụ; 4- vách ngăn; 5- xi lanh; a- lỗ hút (lỗ cấp dầu); b- lỗ đẩy (lỗ thoát dầu); A- họng hút; B- họng đẩy, (A,B - hình bán nguyệt)

Bơm - Động cơ thuỷ lực Piston rôto hướng kính

Bơm - Động cơ thuỷ lực Piston rôto hướng kính

Máy thuỷ lực Piston rôto hướng kính làm việc với p cao, Q lớn thông thường các thông

số của nó như sau:

+ Áp suất làm việc p = (400  500) at (1 at

+ Lưu lượng riêng q tới 24 lít/vòng

+ Số vòng quay n = (100  2000) vòng/phút + Số vòng quay tối thiểu khi có tải: 100

vòng/phút

+ Nếu cần lưu lượng lớn phải dùng nhiều

Piston, bố trí thành 2 đến 6 dãy.

Bơm - Động cơ Piston rôto hướng trục

1- Rôto (blốc xi lanh); 2- đĩa nghiêng; 3- đĩa phân phối dầu;

4-cơ cấu phụ điều chỉnh góc nghiêng  của đĩa; 5-piston; 6- lò xo đẩy Piston luôn tỳ sát vào đĩa nghiêng;7- gờ chắn; a-lỗ hút dầu; b- lỗ

thoát dầu (đẩy dầu)

Bơm - Động cơ Piston rôto hướng trục

Bơm - Động cơ Piston rôto hướng trục

Bơm - Động cơ Piston rôto hướng trục

Bơm - Động cơ Piston rôto hướng trục

Máy thuỷ lực piston hướng trục

 Đĩa chủ động chuyển động lắc so với trục của vỏ

 Cấu tạo và hoạt động:

 Chế độ bơm

 Chế độ động cơ

 Đặc điểm cấu trúc

• Đĩa điều khiển định hướng dọc

trục và điều khiển không gian

nạp đẩy, một trong hai rãnh

được nối với đường nạp còn

rãnh kia nối với đường đẩy.

• Gờ điều khiển, chuyển tiếp

giữa rãnh nạp và rãnh đẩy

• Số xylanh không nên chẵn.

Máy hướng trục trục nghiêng

 Phân loại

 Đĩa nghiêng đế trượt

 Đĩa nghiêng đuôi piston

chỏm cầu

 Cấu tạo và hoạt động

 Khối xy lanh nối cứng với

Máy thuỷ lực đĩa lắc

 Cấu tạo hoạt động

 Khối xy lanh cố định

 Đĩa lắc và đĩa điều khiển

quay theo trục.

 Đuôi piston chỏm cầu tựa

vào đĩa lắc qua đĩa con lăn

 Ưu nhược điểm

 Đơn giản, gọn nhẹ

 Hao tổn lọt dòng nhỏ

 Hiệu suất cao

 Giá thành cao

3.3.2 Bơm và động cơ thuỷ lực roto

Bơm và động cơ thủy lực dạng roto bao gồm:

- Bơm và động cơ bánh răng

- Bơm và động cơ trục vít

- Bơm và động cơ cánh gạt

Tính chất chung là Bơm và động cơ loại này cũng có tính thuậnnghịch

Bộ phận chính trực tiếp trao đổi áp năng với dòng chất lỏng qua máy

là là bộ phận có chuyển động quay như bánh răng, trục quay có cánhgạt gọi chung là roto Roto chuyển động tròn đều tạo dòng chảy tươngđối đều Lưu lượng và áp suất của dòng chảy trong các máy roto daođộng ít hơn so với dòng chảy trong các máy thủy lực pit tông

Áp suất làm việc trong các máy thủy lực roto thường cao hơn so vớicác máy thủy lực cánh dẫn nhưng thấp hơn các máy thủy lực dangpittong thường từ 2-15MPa

Ưu điểm chung các máy thủy lực roto là kết cấu đơn giản, kích thướcnhỏ, gọn nhẹ, tuổi bền cao, chắc chắn, làm việc tin cậy, có thể làmviệc với số vòng quay lớn Công suất trên đơn vị trọng lượng lớn

1- Bánh răng chủ động; 2- bánh răng

bị động; 3- vỏ bơm; 4- ống hút; 5- ống đẩy; 6- van

an toàn; A- khoang hút (bọng hút); B- khoang đẩy (bọng đẩy)

Sơ đồ nguyên lý bơm hai bánh răng ăn khớp ngoài

3.3.2.1 Bơm và động cơ thuỷ lực bánh răng

1 Bơm bánh răng

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

 Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

 Kết cấu không đối xứng

Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

BƠM BÁNH RĂNG

BƠM 2 BÁNH RĂNG ĂN KHỚP NGOÀI

BƠM 3 BÁNH RĂNG ĂN KHỚP NGOÀI

Bơm 3 bánh răng ăn khớp ngoài

Bơm bánh răng ăn khớp trong

1

4

1- bánh răng chủ động; 2- bánhrăng bị động; 3- stato; 4- Tấm chắn

(vành trăng)

1- bánh răng chủ động; 2- bánh răng bị động; stato; 4- Tấm chắn (vành trăng)

 Hoạt động

Bơm bánh răng ăn khớp trong

3.3.2.2 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC TRỤC VÍT

 Ưu điểm:

- Dầu chuyển động liên tục, lưu lượng điều hòa, ít dao động lưu lượng hơn bơm bánh răng;

- Kết cấu nhỏ gọn chắc chắn; làm việc không ồn và tin cậy cao;

tới 18000v/p và p tới 200at);

- Mô men quán tính nhỏ so với tất cả các loại máy có cùng công suất.

- Phạm vi sử dụng lớn: Q= 3-12000l/p và công suất từ 1500kw;

1 Có khả năng làm việc thuận nghịch: Bơm-Động cơ- Bơm

Bơm, động cơ trục vít

Khái niệm

Bơm trục vít là loại bơm sử dụng một hay một số trục vít ( trục xoắn) đểvận chuyển lưu chất dọc theo chiều dọc trục của trục vít ( trục xoắn).Bơm trục vít được chia làm 3 loại: bơm 1 trục, bơm 2 trục và bơm 3 trục

Phân loại

Dựa vào cấu tạo bơm trục vít được chia thành ba loại chính:

Loại bơm ba trục vít (Three-screw pump)

Loại bơm hai trục vít (Two-screw pump)

Loại bơm một trục vít (One-screw pump)

Ngoài ra còn có bơm 4 trục nhưng ít dùng

Bơm, động cơ trục vít

Ưu điểm

Độ tin cậy cao, kích cấu nhỏ gọn, chắc chắn.

Có thể làm việc với số vòng quay lớn.

Quá trình làm việc khá êm, tốc độ dòng chảy đều và ổn định Tuổi thọ của bơm cao.

Hiệu suất làm việc cao.

Nhược điểm

Quá trình chế tạo khá phức tạp vì đòi hỏi độ chính xác cao Khó sửa chữa, phục hồi khi bị lỗi.

Bơm một trục vít

Bơm 2 trục vít

Bơm 2 trục vít

Bơm 2 trục vít

Bơm 2 trục vít

&idtype=006012

Bơm 2 trục vít

Bơm 3 trục vít

Bơm 3 trục vit

3.3.2.3 Bơm, động cơ thủy lực cánh gạt

 Đặc điểm: có thể thay đổi được thể tích làm việc

Tính chất hoạt động của máy thuỷ tĩnh

3.4 Xy lanh thuỷ lực và động cơ lắc

 Chuyển động tính tiến

 Chuyển động lắc

Xi lanh thủy lực

Xi lanh thuỷ lực được dùng phổ biến trong các cơ cấu chấp hành của hệ thống thuỷ lực trên các máy Chúng có các kích cỡ khác nhau

+ Xi lanh mô men (xi lanh quay)

- Xi lanh lực có chuyển động tương đối của Piston với xi lanh là chuyển động tịnh tiến.

- Xi lanh mô men có chuyển động tương đối là chuyển động quay, lắc.

Xy lanh thuỷ lực và động cơ lắc

1 Xy lanh tác động đơn: Dầu đẩy đi 1 chiều

còn chiều về do tải trọng hay lò xo

Xy lanh plunger hoặc xy lanh thụt

Xy lanh tác động đơn

Xy lanh nhiều cấp hoặc vươn xa

• Xy lanh vươn xa đơn giản

• Xy lanh vươn xa chyển động đều

Xy lanh thuỷ lực và động cơ lắc

Xy lanh tác động đơn

Xy lanh nhiều cấp hoặc vươn xa

Xy lanh thuỷ lực và động cơ lắc

2 Xy lanh tác động kép: dầu thủy lực vào ra 2

Xy lanh thuỷ lực và động cơ lắc

 Xylanh có cần piston hai phía: FV=FR; VV=VR

 Xylanh có cần piston một phía (xylanh vi sai) Tiến: p → A1

FV=pA1 (Fmax)

VV=Q/A1 (Vmin) Lùi về: p → A2

 Các dạng bắt chặt của xy lanh thuỷ lực

XI LANH THỦY LỰC

Xi lanh một cán hai chiều

Xi lanh hai cán hai chiều

4

Xi lanh một cán một chiều

Xi lanh lồng 4 tầng

Động cơ lắc

Xi lanh mo men (động cơ lắc)

Số cánh gạt z = 1 ( <

3600)

Xi lanh quay 1 cánh gạt

1- cánh gạt; 2- trục; 3- vỏ tròn;

1- cánh gạt; 2- trục; 3- vỏ tròn;

Tính chọn xi lanh lực

a) Xi lanh một cán b) Xi lanh hai cán c) Xi lanh kiểu ống lồng

D

F F

p1,

p2,

d

T T

T T

p1,

p2, F

F

D

T T

F F F F

p1,

p2,

p3,

- Khi Piston chuyển động đi xuống, lực tác dụng lên cán Piston T2 xác định như sau:

Tính lực

+ Với xi lanh hai cán:

- Khi đi lên và khi đi xuống có v1 - v2

Q1,2Q = F1,2v1,2 suy ra v1,2 = 4 Q1.2Q

(D2-d2)

Xác định tốc độ dịch chuyển của Piston

+ Với xi lanh kiểu ống lồng:

- Khi đi lên:

Chú ý

Nếu biết trước v của các Piston, từ các công thức trên sẽ suy ra Q1,

Q2, Q3

Thứ nguyên: Q- m3/s; F- m2-; v- m/s;

- Hiệu suất thể tích của xi lanh Q = 0,98 với xi lanh đang sử dụng

và Q = 1 đối với xi lanh mới

- Tỷ lệ giữa D và d được ký hiệu là  - Hệ số cấu tạo

- Các xi lanh tiêu chuẩn có  = 1,25; 1,4; 1,6 và 2,0

- Khi  càng lớn thì diện tích hình vành khăn chịu áp lực dầu càng nhỏ và ngược lại

Chú ý

 - Đường kính xi lanh thường được tiêu chuẩn hoá:

 D (mm): 32; 40; 50; 63; 80; 100; 110; 125; 140; 160; 180; 200; 220; 250

 - Áp lực tiêu chuẩn:

 p (MPa): 10; 16; 20; 25; 32; 50; 63; 70

Xi lanh thuỷ lực

Xi lanh một chiều

Xi lanh một cán hai chiều

Xi lanh hai cán hai chiều

Xi lanh thuỷ lực

Xi lanh nhiều pittông (kiểu ống lồng) hay còn gọi là xi lanh lực vi sai hai chiều

Xi lanh kiểu ống lồng một chiều

Xi lanh có pít tông bơi một chiều

Xi lanh có giảm chấn (ở cuối hành trình một phía)

3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY TĨNH

CÓ CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN VÀ QUAY 3.5,1 Truyền động thủy tĩnh có chuyển động tịnh tiến

1 Bơm; 2-3 van 1 chiều; 4 Thùng dầu; 5- Van phân phối; 6 Động cơ

Theo hình 3.24 Cơ năng tác dụng vào bơm 1 biến thành áp năng của chất lỏng Sau đó trong xi lanh (động cơ) thủy lực đã biến áp năng thành cơ năng.

Nếu coi chất lỏng là tuyệt đối không nén được và bỏ qua sự rò rỉ của chất lỏng trong hệ thống thì lượng chất lỏng từ bơm đẩy ra bằng lương chất lỏng vào xi lanh:

Xb.Fb=Xd.Fd

Xb và xd: đoạn dịch chuyển của pít tông trong bơm và xi lanh lực.

Fb và Fd: diện tích bề mặt làm việc của pit tông trong bơm và xi lanh lực

Vận tốc v của pit tong trong bơm và xi lanh lực: v=dx/dt

Lưu lượng chất lỏng do bơm chuyển đi: Qb=vb.Fb (3 -15)

Và lưu lượng chất lỏng nạp vào xi lanh lực: Qd=vd.Fd

Trong đó vb và vd : Vận tốc dịch chuyển của pít tông bơm và pit tong xilanh lực Với giả thiết lưu lượng có rò rỉ bằng 0 ta có: Qb=Qd

Nếu bỏ qua tổn thất cột áp trong hệ thống thì áp suất do bơm tạo ra bằng áp suất trong khoang làm việc của xi lanh: p=Pb/Fd (3 -17)

Với p là áp suất trong xi lanh bơm, Pb là lực đặt lên cán pít tông của bơm nên lực nên lực do pit tông của xi lanh lực tạo ra là: Pd= p.Fd (3 -18)

Công suất của bơm là Nb=Pb.vb

Và công suất của động cơ thủy lực (xi lanh lực) Nd=Pd.vd;

Hình 3.25 là hệ thống truyền động thủy tĩnh có dùng bơm roto cung cấpdầu cho hệ thống chuyển động tịnh tiến Để an toàn có đặt van an toàn

số 2

Trong trường hợp này, lưu lượng của bơm là: Qb=qb.nb (3-21)

Với qb- Lưu lượng riêng của bơm; nb- số vòng quay của bơm trong mộtđơn vị thời gian

Tương tự như trên ta có vận tốc của xi lanh lực là:

vd=qb.(nd/Fd) =(Qd/Fd) (3-22)

Công suất của bơm trong trường hợp này là:

3.5.2 Truyền động thủy tĩnh có chuyển động quay.

Trong trường hợp này lưu lượng tiêu thụ của động cơ thủy lực là:

Qd=qd.nd (3-24)với qd- lưu lượng riêng của động cơ thủy lực

Vì vậy, vận tốc quay của động cơ thủy lực là: nd=nb.(qb/qd) (3-25)Nếu công suất của động cơ Nd thì mô men quay do động cơ tạo ra:

Biết Nd=p.qd.nd nên: (3-27)

2

d d

d

NM

p q M





3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY TĨNH

CÓ CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN VÀ QUAY

3.5.3 Nhận xét chung:

a) Khi chất lỏng làm việc không có sự rò rỉ (không có tổn thất) vận tốc của

động cơ thủy lực phụ thuộc vào lưu lượng của bơm và động cơ thủylực Nếu thay đổi một trong 2 yếu tố trên thì thay đổi được vận tốc củađộng cơ thủy lực

b) Thực tế không thể tránh khỏi rò rỉ nên lưu lượng vào động cơ thủy lực

nhỏ hơn lưu lượng do bơm tạo ra Giả sử tổn thất lưu lượng là