Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 4: Truyền động thủy động

Bài giảng Truyền động thủy lực và khí nén - Chương 4: Truyền động thủy động cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm chung về truyền động thủy động; khai thác khớp nối thủy lực; đường đặc tính của biến tốc thủy lực;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 4 TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

4.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

Muốn truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận làm việc củamáy, ngoài cách dùng các loại truyền động cơ khí, điện, khí nén.Hiện nay người ta hay dùng một loại truyền động mới là: Truyềnđộng thủy động

Truyền động thủy động là một thể loại (phương thức) truyền động màtrong đó người ta dùng chất lỏng làm khâu trung gian để truyền cơnăng

Truyền động thủy động xuất hiện do yêu cầu truyền dẫn công suấtlớn với đặc điểm êm và ổn định và dễ tự động hóa mà các loại khácchưa đáp ứng được

Thực ra, mỗi loại truyền động đều có ưu nhược điểm riêng, tùy yêucầu làm việc của từng loại máy mà sử dụng cho thích hợp

4.1.1 ƯU ĐIỂM CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

1 Dễ thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động điều chỉnh vậntốc chuyển động của bộ phận làm việc trong các máy, ngay cả khimáy đang làm việc;

2 Truyền được công suất làm việc lớn;

3 Cho phép đảo chiều chuyển động bộ phận làm việc của máy

7 Truyền động êm, tiếng ồn thấp;

8 Có thể đề phòng sự cố khi máy quá tải

4.1.2 NHƯỢC ĐIỂM CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

1. Vận tốc truyền động bị hạn chế vì phải đề phòng hiện tượng vađập thuỷ lực, tổn thất thuỷ lực và xâm thực;

2 Khó làm kín các bộ phận làm việc do vậy kết cấu thiết bị cầnphức tạp;

3 Yêu cầu chất lỏng là dầu khoáng làm việc tương đối khắt khenhư độ nhớt phải nhỏ, ít thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi Dầukhoáng phải ổn định và bền vững về mặt tính chất hoá học; khó bị ô

xy hoá, khó cháy, ít hoà tan nước và không khí, không ăn mòn kimloại, không độc

Trên cơ sở của truyền động thuỷ lực thuỷ động, người ta chia ra haikết cấu truyền động thuỷ động rõ rệt: Khớp nối thuỷ lực và biến tốcthuỷ lực (biến mô)

Khớp nối thuỷ lực chỉ làm nhiệm vụ truyền chuyển động, truyềnmômen mà vẫn giữ nguyên giá trị mômen đó

Biến tốc thuỷ lực (biến mô) làm nhiệm vụ truyền chuyển động nhưnglại đồng thời thay đổi trị số mômen và kéo theo thay đổi giá trị vậntốc truyền động

4.1.1 SƠ ĐỒ KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

Sơ đồ nguyên lý truyền động thủy động tàu thủy

Sơ đồ nguyên lý truyền động thủy động tàu thủy

Hình 4.1 biểu diễn sơ đồ nguyên lý truyền động thủy động trên tàuthủy để truyền mômen quay từ động cơ đến chân vịt Ở đây, động cơdiesel lai bơm ly tâm quay; bơm hút chất lỏng công tác từ két chứadầu lên, truyền qua đường ống dẫn, cấp vào tua bin thủy lực, làmcho chân vịt quay và sau đó chất lỏng trở về két chứa.

Trong thực tế cho thấy rằng hệ thống truyền động như vậy sẽcồng kềnh và tổn thất thủy lực rất lớn Do vậy, các nhà thiết kế đã nốitrực tiếp cửa hút của bơm với cửa thoát của tua bin thủy lực với nhau

và đồng thời đặt cả bơm ly tâm cùng tua bin nằm trong một vỏ Chính

vì thế mà hệ truyền động không cần đến két chứa chất lỏng, bỏ bớtđược ống dẫn, chi phí tổn thất thủy lực nhỏ mà vẫn đảm bảo nguyên

lý truyền động

KHỚP NỐI THỦY LỰC

KHỚP NỐI THỦY LỰC

KHỚP NỐI THỦY LỰC

Khớp nối thuỷ lực là kết cấu đơn giản nhất của truyền động thuỷ động Cũng như các loại khớp nối khác, nó dùng để truyền mômen từ trục dẫn đến trục bị dẫn mà không thay đổi trị số mômen đó.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA KHỚP NỐI THỦY LỰC

Khi động cơ làm việc, bánh bơm quay và truyền cơ năng cho chấtlỏng Dưới tác dụng của lực ly tâm, chất lỏng chuyển động dọc theocánh dẫn từ tâm ra ngoài bánh bơm với vận tốc tăng dần Sau đóchất lỏng chuyển sang bánh tua bin, khi qua các cánh tua bin thì chấtlỏng truyền cơ năng cho bánh tua bin đó, làm cho nó quay cùngchiều với bánh bơm Do đó, mômen quay được truyền từ trục dẫnsang trục bị dẫn Chất lỏng sau khi ra khỏi bánh tua bin lại trở vềbánh bơm và lặp lại quá trình chuyển động như trên một cách tuầnhoàn giữa hai bánh công tác

Như vậy, mỗi phần tử chất lỏng trong khớp nối thuỷ lực thực hiệnđồng thời hai chuyển động: vừa quay vòng tuần hoàn theo phương

từ bánh bơm 1 đến bánh tua bin 2, vừa quay quanh trục của khớpnối Chuyển động tổng hợp của phần tử chất lỏng trong khớp nối làhình vòng xoắn ốc

Sơ đồ nguyên lý biến tốc thuỷ lực

1 Trục dẫn; 2 Trục bị dẫn;

3 Bánh bơm; 4 Bánh phản ứng;

5 Bánh tua bin; 6 Vỏ biến tốc.

BIẾN TỐC THỦY LỰC (BIẾN MÔ)Biến tốc thuỷ lực có nhiệm vụ truyền cơ năng giữa các trục dẫn cho trục bị dẫn và có kèm theo sự biến đổi mômen quay

Biến mô thuỷ lực được phát triển từ khớp nối thuỷ lực Người ta lắp thêm một chi tiết ở giữa có tên gọi là Bánh dẫn hướng (4) (Stato) Cấu tạo của các cánh stato có

độ cong sao cho nó dẫn dòng dầu chạy ngược lại về phía Bánh bơm (2) sau khi thoát khỏi bánh turbin (3) theo chiều quay Năng lượng thuỷ lực của dòng dầu được cộng hưởng Hay là mô ment xoắn được tăng lên Hay nói cách khác là lực kéo của

xe được tăng lên đáng kể.

BIẾN TỐC THỦY LỰC (BIẾN MÔ)

BIẾN TỐC THỦY LỰC (BIẾN MÔ THỦY LỰC)

BIẾN TỐC THỦY LỰC (BIẾN MÔ THỦY LỰC)

Biến tốc thuỷ lực có nhiệm vụ truyền cơ năng giữa các trục dẫn cho trục

bị dẫn và có kèm theo sự biến đổi mômen quay Thông thường, biến tốcthuỷ lực đơn giản nhất có kết cấu gồm ba bộ phận chính, đó là: bánhbơm, bánh tua bin và bánh phản ứng Bánh phản ứng có thể đặt saubánh bơm và trước bánh tua bin hoặc đặt sau bánh tua bin và trướcbánh bơm theo chiều đi của chất lỏng trong biến tốc Bánh phản ứngđứng yên mà không quay cùng bánh tua bin và bánh bơm, nó chỉ cónhiệm vụ làm máng dẫn và làm điểm tựa cho việc truyên năng lượng từbánh bơm sang bánh tua bin mà nhờ đó biến đổi được trị số mômen khitruyền động

Khi bánh bơm quay bởi động cơ lai, chất lỏng dưới tác dụng của lực lytâm đi ra ngoài theo biên dạng của bánh bơm với vận tốc tăng dần Dòngchất lỏng có một vận tốc nhất định đi vào bánh phản ứng Do bánh nàyđược giữ cố định nên chất lỏng không trao đổi năng lượng cho nó mà chỉbiến đổi từ động năng thành áp năng và vì thế mà giá trị mômen trên trụctua bin được tăng lên

Có trường hợp, người ta để cho bánh phản ứng quay tự do cùngbánh bơm và bánh tua bin, khi đó bánh phản ứng không có tác dụnglàm điểm tựa nữa Kết quả là biến tốc trở thành khớp nối thuỷ lựcthông thường Trong khi làm việc của biến tốc, người ta có thể điềukhiển bánh phản ứng thay đổi góc đi của chất lỏng để thay đổi tỷ sốtruyền cho biến tốc.

Biến tốc thuỷ lực có tính chất tự động điều chỉnh mômen và số vòngquay của bánh tua bin theo sự thay đổi của mômen cản trên trục bịdẫn Khi biến tốc làm việc ổn định, mômen tác dụng lên bánh tua binluôn luôn bằng mômen cản tác dụng lên trục bánh bị dẫn Nếumômen cản tăng, lớn hơn mômen tác dụng lên bánh tua bin thì bánh

đó quay chậm lại Khi đó mômen quay của bánh tua bin sẽ tự độngtăng lên cho đến khi cân bằng với mômen cản như trong khớp nốithuỷ lực

4.1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

Công suất làm việc trên trục dẫn (trục bơm):

P B

B B

QH N









Trong đó: Q - Lưu lượng chất lỏng từ bánh bơm vào bánh tua bin;

HB - Cột áp do bánh bơm tạo ra;

B - Hiệu suất của bánh bơm;

P - Hiệu suất của bánh phản ứng;

 - Trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

Công suất làm việc trên trục bị dẫn (trục tua bin):

T B

N   

Trong đó: T - Hiệu suất bánh tua bin

Thay trị số của HB và tính toán, ta có: NT = B.P.T.NB

Nếu gọi  = B P T là hiệu suất toàn phần của truyền động thì ta có:

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VÀ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN

CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

Ở mọi chế độ làm việc ổn định, phương trình cân bằng năng lượng được biểu diễn như sau:

NB = NT + NW Trong đó NB = QHB

NT = QHT

NW - Công suất tổn thất qua khớp nối hay biến tốc;

Q - Lưu lượng công chất qua bánh bơm vào bánh tua bin;

HB - Cột áp của bánh bơm;

HT - Cột áp của bánh tua bin

Hệ số biến tốc K: đặc trưng cho khả năng biến đổi mômen quay của biến tốc thuỷ lực:

MB

MT B

T

M

M K

M N n i



  

Tỷ số truyền i: đặc trưng cho khả năng biến đổi vận tốc quay của trục

bị dẫn so với trục dẫn của biến tốc thuỷ lực

n

M N

N

B B

T T B



CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA TRUYỀN ĐỘNG THỦY ĐỘNG

Phương trình mômen:

Trong trường hợp tổn thất thuỷ lực trong khớp nối bằng 0 thì mômen của bánh bơm chính là mômen động lượng của khối lượng chất lỏng qua bơm hay qua tua bin:

Mômen đối với bánh bơm:

)

( 2

1

1 1 2

2 D c D c

Mômen biến tốc thuỷ lực: Công thức thực nghiệm tính mômen cho biến tốc như sau:

MB = MBD5n2B

MT = MTD5n2B

Trong đó: D - Đường kính lớn nhất của biến tốc thuỷ lực

MB, MT - Hệ số mômen của bánh bơm vì bánh tua bin chúng

phụ thuộc vào tỷ số truyền i;

Hệ số biến tốc K: đặc trưng cho khả năng biến đổi mômen quay của biến tốc thuỷ lực

MB

MT B

Tỷ số truyền i: đặc trưng cho khả năng biến đổi vận tốc quay của trục bị dẫn

so với trục dẫn của biến tốc thuỷ lực

M

n

M N

N

B B

T T B





Phương trình tính hiệu suất trên cho ta thấy hiệu suất  chỉ phụ thuộc vào hệ số biến tốc và tỷ số truyền của biến tốc thuỷ lực Ý nghĩa của nó là thể hiện khả năng truyền lực và biến đổi vận tốc của biến tốc thuỷ lực, đồng thời cũng thể hiện tổn thất công suất trong quá trình biến tốc làm việc

Như vậy, biến tốc thuỷ lực có những đặc trưng cơ bản sau:

M B < M T ; n B > n T và N B > N T Đối với loại biến tốc thông dụng, như thống kê thì  max = (0,85  0,90); với i = (0,5  0,8)

ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA KHỚP NỐI THỦY LỰC

Khớp nối thuỷ lực chỉ truyền mômen quay của động cơ màkhông biến đổi trị số mômen đó Đối với khớp nối thuỷ lực, ta có:

MB + MT = 0Tức là MB = - MT Điều này hoàn toàn phù hợp với nguyên lýcân bằng tác dụng và phản lực tác dụng theo định luật thứ bacủa Niutơn

Vì vậy, khi có sự thay đổi của tải trọng (mômen cản trên trục

bị dẫn) thì số vòng quay của bánh tua bin sẽ thay đổi theo Do

đó, làm thay đổi vận tốc chuyển động của chất lỏng trong buồnglàm việc và dẫn đến sự thay đổi mômen quay của bánh tua binsao cho cân bằng với trị số mômen cản của phụ tải Vì thế, khớpnối thuỷ lực là loại truyền động tự động

Việc truyền cơ năng từ trục dẫn tới trục bị dẫn bằng môi trường chất lỏng trong các bánh công tác của khớp nối thuỷ lực không thể không bị tổn thất

Vì vậy tỷ số truyền:

0 , 1

Tức là nT < nB Do đó, khi truyền công suất qua khớp nối thuỷ lực, số vòng quay của trục bị dẫn luôn luôn nhỏ hơn số vòng quay của trục dẫn

Hiệu số giữa số vòng quay các bánh bơm và tua bin của khớp nối thuỷ lực chia cho số vòng quay của bánh bơm được gọi là hệ số trượt của khớp nối thuỷ lực, ký hiệu là s

i n

n n

T

 1 1

Hiệu suất của khớp nối thuỷ lực sẽ là:

B

T B

T B

T

n

n M

M N

Khi s = 0 thì  = i = 1, tức là nT = nB Trong khớp nối thuỷ lực, khi nT

= nB thì áp suất do tác dụng của lực ly tâm ở lối ra của bánh bơm và lối vào của bánh tua bin là như nhau Khi đó, chất lỏng không có chuyển động tương đối từ bánh bơm sang bánh tua bin mà nó chỉ quay cùng với vỏ khớp nối thuỷ lực như là một vật rắn Bấy giờ, lưu lượng chất lỏng Q = 0 và do đó mômen của khớp nối thuỷ lực M = 0

Bởi vậy, khớp nối thuỷ lực chỉ có thể truyền công suất và mômen khi

nT < nB hoặc khi s > 0 như đã nói ở trên

Ở chế độ làm việc bình thường, khớp nối thuỷ lực có s = 2  3 %, cho nên  = 1 - s = 0,97  0,98

Hệ số trượt càng lớn (tức nT càng nhỏ so với nB) thì độ chênh áp suất ở lối ra khỏi bánh bơm và lối vào bánh tua bin càng lớn

Trong phần lớn các trường hợp, lưu lượng Q đạt trị số cực đại khi nT=

0, tức ứng với s = 100 %

Qua sự nghiên cứu đặc điểm quá trình của khớp nối thuỷ lực ở trên,

có thể tóm tắt các tính chất chủ yếu của nó như sau:

1 Trục dẫn và trục bị dẫn quay độc lập với nhau Khi trục dẫn quay thì trục

bị dẫn có thể đứng yên hoặc quay với vận tốc nào đấy Nhưng vận tốc quay lớn nhất của trục bị dẫn chỉ đạt tới khoảng 97 hoặc 98 % so với vận tốc trục dẫn;

2 Khởi động và tăng tốc (lấy đà) êm;

1 Trục dẫn và trục bị dẫn quay độc lập với nhau Khi trục dẫn quay thì trục

bị dẫn có thể đứng yên hoặc quay với vận tốc nào đấy Nhưng vận tốc quay lớn nhất của trục bị dẫn chỉ đạt tới khoảng 97 hoặc 98 % so với vận tốc trục dẫn;

2 Khởi động và tăng tốc (lấy đà) êm;

3 Các chi tiết chủ yếu (bánh công tác) không bị mài mòn vì các bề mặt làm

việc của chúng không tiếp xúc với nhau;

4 Hạn chế dao động xoắn;

5 Truyền động không ồn;

6 Có hiệu suất cao (0,97  0,98) ở chế độ làm việc tính toán;

7 Sử dụng vận hành chắc chắn;

8 Cho phép lệch tâm từ 13 mm giữa khớp nối với hệ đường trục dài;

9 Thực hiện được việc điều khiển từ xa và tự động hoá điều khiển một cách

đơn giản

Do đó, khớp nối thuỷ lực thường dùng để:

1 Điều chỉnh số vòng quay của trục bị dẫn khi số vòng quay của động cơ

không đổi (dùng trong bơm cấp nước lớn cho nồi hơi các nhà máy nhiệt điện, nhà máy hoá học, chạy quạt thông gió hầm mỏ, lò luyện kim );

2 Lấy đà các máy có mômen khởi động lớn (như tua bin hơi, máy cắt kim

loại lớn, băng tải lớn, động cơ tàu thủy );

3 Hợp tác công suất nhiều động cơ (ví dụ: hai động cơ diezel lai một chân

vịt tàu thuỷ);

4 Đặc biệt ưu điểm dùng cho khớp nối - LY HỢP - động cơ lai chân vịt tàu

thuỷ

Trong một số trường hợp, khớp nối thuỷ lực sử dụng như một cơ cấu

an toàn (ví dụ: động cơ diezel lai chân vịt tàu thuỷ khi chân vịt bị kẹt hoàn toàn)

ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CỦA KHỚP NỐI THỦY LỰC

Cũng như các máy thuỷ lực khác, người ta đã xây dựng đường đặc tính thực nghiệm cho khớp nối thuỷ lực Đường đặc tính thực nghiệm này đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện kết quả tính toán, đánh giá tính năng làm việc và tiện lợi trong sử dụng, khai thác.

Đường đặc tính ngoài: Hình 4.3 Biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay

M, công suất NB, NT và hiệu suất của khớp nối thuỷ lực với số vòng quay nT của bánh tua bin khi số vòng quay của bánh bơm không đổi (nB = const).

Đường đặc tính thực nghiệm cho ta thấy:

Khi nT tiến gần tới nB, về lý thuyết thì  = 1 Nhưng vì lúc ấy N  0

và mômen quay M giảm đến mức chỉ còn đủ để thắng mômen cản do tổn thất (tổn thất do ma sát ở cổ trục khớp nối, ma sát của chất lỏng với bề mặt của các bánh công tác ), cho nên hiệu suất không thể bằng 1 Lúc đó, đường 

sẽ lại đi theo đường dốc về đến 0

Đường đặc tính ngoài trên chỉ cho ta biết tính năng làm việc của khớp nối ở một chế độ ứng với nB = const Nhưng trong thực tế, khớp nối có thể làm việc với những động cơ có số vòng quay thay đổi ( nB = var ) nên người ta cón dùng đặc tính tổng hợp để tiện sử dụng trong trường hợp đó.

Đường đặc tính tổng hợp: Biểu diễn mối quan hệ giữa mômen quay của khớp nối thuỷ lực với số vòng quay của bánh tua bin nT khi số vòng quay của bánh bơm thay đổi (nB = var ) Trên đường đặc tính đó, còn vẽ những đường cong biểu diễn

sự thay đổi của M với các giá trị hiệu suất như nhau (đường đồng hiệu suất) Muốn xây dựng đường đặc tính tổng hợp, cần lập nhiều đường đặc ngoài của khớp nối với nhiều trị số nB khác nhau.

KHAI THÁC KHỚP NỐI THỦY LỰCTrong lĩnh vực tàu thuỷ, khớp nối thuỷ lực đóng vai trò LY- HỢP dùng

để truyền động (truyền công suất) từ một hay nhiều động cơ Diezelđến lai chân vịt Khi khai thác khớp nối thuỷ lực cần chú ý một số điểmsau:

• Công chất dùng cho khớp nối có độ nhớt càng thấp càng tốt, songkhông vì thế mà người ta dùng nước Bởi vì nước tuy có độ nhớt thấp,nhưng bôi trơn kém và dễ gây rỉ các chi tiết của khớp nối Chính vì thế

mà dầu khoáng là công chất được ưu tiên sử dụng cho khớp nối thuỷlực

• Công chất lỏng trong khớp nối chính là nhân tố truyền năng lượng

từ trục dẫn sang trục bị dẫn Công chất càng điền đầy trong khớp nốithì hiệu suất truyền động càng cao Khi công chất được tháo hết rakhỏi khớp nối thì việc truyền công suất hoàn toàn không còn tác dụng.Nhờ vào tính chất này mà muốn cắt truyền động khớp nối (tức là LY)bằng cách tháo toàn bộ công chất ra khỏi khớp nối và muốn nối truyềnđộng (tức là HỢP) bằng cách nạp công chất đầy trở lại cho nó Trongthực tế, người ta thiết kế chế tạo van thoát chất lỏng sao cho có thểđiều khiển được (có thể bằng tay hoặc điều khiển từ xa), như vậy làviệc LY hay HỢP của khớp nối sẽ được thực hiện