Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu

1. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu CHƢƠNG 2: CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ DẦU 2.1. BƠM VÀ ĐỘNG CƠ DẦU (MÔ TƠ THỦY LỰC) Khái niệm Bơm là loại máy thủy lực biến đổi cơ năng của động cơ thành năng lượng để vận chuyển chất lỏng hoặc tạo nên áp suất cần thiết trong hệ thống truyền dẫn thủy lực. Bơm được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất. Trong nông nghiệp, bơm là loại thiết bị không thể thiếu để thực hiện thủy lợi hóa và cơ khí hóa chăn nuôi, trồng trọt. Trong công nghiệp, có thể nói không một nhà máy hoặc cơ sở sản xuất nào mà không sử dụng bơm. Bơm là một bộ phận quan trọng của một cơ sở sản xuất như trong các công trình khai thác mỏ, quặng dầu hay các công trình xây dựng. Hiện nay trong kỹ thuật vận chuyển phát triển xu hướng dùng bơm và đường ống để vận chuyển các sản phẩm của ngành khai thác mỏ (quặng dầu), hóa chất, nguyên vật liệu xây dựng v.v Thực tế đã chứng minh đó là phương tiện vận chuyển rất thuận lợi và kinh tế. Trong ngành chế tạo máy, bơm được sử dụng phổ biến ; nó là một trong các bộ phận chủ yếu của hệ thống điều khiển và truyền động thủy lực trong máy. Theo nguyên lý làm việc, bơm được chia thành hai loại chủ yếu : - Bơm cánh dẫn : bơm ly tâm, bơm hướng trục - Bơm thể tích : bơm pittông, bơm rôto v.v Động cơ dầu (môtơ thủy lực) là loại máy thủy lực tiếp thu cơ năng của dòng chất lỏng để kéo các máy làm việc khác, có tác dụng như một động cơ, được gọi chung là động cơ thủy lực (như tuabin nước, các loại động cơ thủy lực trong máy công cụ ) 2.1.1. Nguyên lý chuyển đổi năng lƣợng Bơm và động cơ dầu là hai thiết bị có chức năng khác nhau. Bơm là thiết bị tạo ra năng lượng, còn động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng này. Tuy thế kết cấu và phương pháp tính toán của bơm và động cơ dầu cùng loại giống nhau. a. Bơm dầu: là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu (dòng chất lỏng). Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùng 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 và khi thể tích của buồng giảm, bơm đẩy dầu ra thực hiện chu kỳ nén. Tuỳ thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân ra hai loại bơm thể tích: - Bơm có lưu lượng cố định, gọi tắt là bơm cố định. - Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh. Các thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất. b. Động cơ dầu: là thiết bị dùng để biến năng lượng của dòng chất lỏng thành động năng quay trên trục động cơ. Quá trình biến đổi năng lượng là dầu có áp suất 12
2. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu được đưa vào buồng công tác của động cơ. Dưới tác dụng của áp suất, các phần tử của động cơ quay. Các thông số cơ bản của động cơ dầu là lưu lượng của 1 vòng quay và hiệu áp suất ở đường vào và đường ra. 2.1.2. Các đại lƣợng đặc trƣng a. Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình) Nếu ta gọi: V- Thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình); A- Diện tích mặt cắt ngang; h- Hành trình pittông; VZL- Thể tích khoảng hở giữa hai răng; Z- Số răng của bánh răng. Ở hình 2.1, ta có thể tích dầu tải đi trong 1 vòng (hành trình): V = A.h 1 hành trình (2.1) V VZL.Z.2 1 vòng (2.2) Áp suất làm việc được biểu diễn trên hình 2.2. Trong đó: - Áp suất ổn định p1; - Áp suất cao p2; - Áp suất đỉnh p3 (áp suất qua van tràn). Hình 2.2. Sự thay đổi áp suất làm việc theo thời gian c. Hiệu suất Hiệu suất của bơm hay động cơ dầu phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Hiệu suất thể tích v - Hiệu suất cơ và thủy lực hm Như vậy hiệu suất toàn phần: t = v . hm (2.3) 13
3. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.3. Ảnh hưởng của hệ số tổn thất đến hiệu suất Ở hình 2.3, ta có: - Công suất động cơ điện: NM.EEE  (2.4) - Công suất của bơm: N p.QV (2.5) Như vậy ta có công thức sau: N p.Qv NE (2.6) tb tb - Công suất của động cơ dầu: NM.AAA hay NA  tMotor .p.Q v (2.7) - Công suất của xilanh: NA = F.v hay NA  txilanh .p.Q v (2.8) Trong đó: NE , ME , E - công suất, mômen và vận tốc góc trên trục động cơ nối với bơm; NA , MA , A - công suất, mômen và vận tốc góc trên động cơ tải; NA , F, v - công suất, lực và vận tốc pittông; N, p, QV - công suất, áp suất và lưu lượng dòng chảy; txilanh - hiệu suất của xilanh; tMotor - hiệu suất của động cơ dầu; tb - hiệu suất của bơm dầu. 2.1.3. Công thức tính toán bơm và động cơ dầu a. Lưu lượng Qv, số vòng quay n và thể tích dầu trong một vòng quay V Ta có: Qv = n.V (2.9) 3 - Lưu lượng bơm: QVv  n.V. .10 (2.10) n.V 3 - Động cơ dầu: Qv .10 (2.11) v Trong đó: Qv - lưu lượng [lít/phút]; n- số vòng quay [vòng/phút]; V- thể tích dầu/vòng [cm3/vòng]; v - hiệu suất [%]. Hình 2.4. Lưu lượng, số vòng quay, thể tích b. Áp suất, mômen xoắn, thể tích dầu trong một vòng quay V Theo định luật Pascal, ta có: 14
4. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu M p x (2.12) V Áp suất của bơm: M. p x hm .10 (2.13) V Áp suất động cơ dầu: M Hình 2.5. Áp suất, thể tích, mômen xoắn p x .10 (2.14) V.hm Trong đó: 3 p [bar]; Mx [N.m]; V [cm /vòng]; hm [%]. c. Công suất, áp suất, lưu lượng Công suất của bơm tính theo công thức tổng quát là: N p.Qv (2.15) p.Q - Công suất để truyền động bơm: N v .10 2 (2.16) 6.t p.Q . - Công suất truyền động động cơ dầu: N vt .10 2 (2.17) 6 Trong đó: N[kW]; p [bar]; Qv[lít/phút]; t[%]. Lưu lượng của bơm về lý thuyết không phụ thuộc vào áp suất (trừ bơm ly tâm), mà chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học và vận tốc quay của nó. Nhưng trong thực tế do sự rò rỉ qua khe hở giữa các khoang hút và khoang đẩy, nên lưu lượng thực tế nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết và giảm dần khi áp suất tăng. Một yếu tố gây mất mát năng lượng nữa là hiện tượng hỏng. Hiện tượng này thường xuất hiện, khi ống hút quá nhỏ hoặc dầu có độ nhớt cao. Khi bộ lọc đặt trên đường hút bị bẩn, cùng với sự tăng sức cản của dòng chảy, lưu lượng của bơm giảm dần, bơm làm việc ngày một ồn và cuối cùng tắt hẳn. Bởi vậy cần phải lưu ý trong lúc lắp ráp làm sao để ống hút to, ngắn và thẳng. 2.1.4. Các loại bơm 2.1.4.1. Bơm cánh dẫn a. Bơm ly tâm - Nguyên lý làm việc của bơm ly tâm Bơm ly tâm là loại bơm cánh dẫn, làm việc theo nguyên lý của máy thuỷ lực cánh dẫn. Cơ cấu truyền năng lượng chính là hệ thống bánh cánh công tác. Để biết nguyên lý làm việc của bơm ly tâm ta đi nghiên cứu sơ đồ kết cấu đơn giản của bơm ly tâm (Hình 2.6). Trước khi bơm làm việc cần phải làm cho cánh công tác tiếp xúc với chất lỏng. Khi bánh cánh công tác quay với một vận tốc nào đó thì chất lỏng tiếp xúc với bánh cánh cũng quay theo, như vậy bánh cánh đã truyền năng lượng cho chất lỏng. Do chuyển động quay của bánh cánh mà các hạt chất lỏng chuyển động có xu hướng văng ra xa khỏi tâm. Để bù vào chỗ trống mà hạt chất lỏng vừa văng ra thì hàng loạt các hạt chất lỏng khác chuyển động tới và quá trình trao đổi năng lượng lại diễn ra như các hạt trước nó. Quá trình trao đổi năng lượng diễn ra liên tục tạo thành đường dòng liên tục chuyển động qua bơm. 15
5. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.6a: Sơ đồ nguyên lý của bơm ly tâm A. Bánh cánh công tác, B. Bầu góp xoắn ốc, c1,u1,w1. là các véc tơ tốc độ điểm đầu, c2,u2,w2. là các véc tơ tốc độ điểm cuối Tốc độ chuyển động của hạt chất lỏng khi ra khỏi bánh cánh công tác lớn sẽ làm tăng tổn thất của đường dòng, bởi vậy cần phải giảm tốc độ này bằng cách biến một phần động năng của hạt chất lỏng chuyển động thành áp năng. Để giải quyết điều này, chất lỏng sau khi ra khỏi bánh cánh công tác sẽ được dẫn vào buồng có tiết diện lớn dần dạng xoắn ốc nên gọi là bầu góp xoắn ốc (Hình 2.6a). Do sự quay đều của bánh cánh công tác nên trong đường ống chất lỏng chuyển động liên tục. Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm được thể hiện trên (Hình 2.6b) Hình 2.6b. Nguyên lý hoạt động của bơm ly tâm Hình 2.6c. Bơm ly tâm - Đặc điểm và phạm vi sử dụng: + Cột áp H từ 10 đến hàng nghìn mét cột nước. + Lưu lượng Q từ 2 đến 70.000 m3/h. + Công suất từ 1 đến 6.000 kW. 16
6. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu + Số vòng quay n từ 730 đến 6.000 vg/ph. + Bơm được nhiều loại chất lỏng như nước, dầu, nhiên liệu, hóa chất kể cả các hỗn hợp của chất lỏng và chất rắn. + Hiệu suất tương đối cao (η = 0,65 ÷ 0,90). b. Bơm hướng trục - Nguyên lý làm việc của bơm hướng trục Bơm có hai phần : Phần quay (động) gồm các bánh công tác gắn liền với trục. Bánh công tác hình khối trụ có gắn các cánh dẫn mặt cong, phân bố đều xung quanh, thường số cánh dẫn của bánh công tác có từ 3 đến 6 ; phần đứng yên (tĩnh) là vỏ bơm, hình trụ rỗng, phía trong có gắn các cánh dẫn hướng và bộ phận ổ đỡ trục. Phía trên bộ phận dẫn hướng thân bơm uốn cong để tiện bố trí các bộ phận dẫn động trục bơm. Khác với bơm ly tâm, chất lỏng chuyển động qua bơm hướng trục không thẳng góc với trục bơm mà chuyển động trong các mặt trụ đồng tâm với trục bơm. b) 1. Vỏ bơm (buồng làm việc) 2. Vỏ bơm (ống đẩy) 3. Bánh công tác 4. Bộ phận dẫn hướng 5. Trục bơm 7. Khớp nối với động cơ điện 8, 10. Ổ đỡ trục 9. Giá đỡ bơm a) Hình 2.7. Bơm hướng trục a) Sơ đồ kết cấu bơm hướng trục b) Bánh công tác - Đặc điểm và phạm vi sử dụng: + Cột áp H từ 4 đến 10 mét cột nước. 17
7. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu + Lưu lượng Q từ 0,1 đến 25 m3/s. + Bơm được dùng khi yêu cầu cột áp nhỏ, lưu lượng lớn. 2.1.4.2. Bơm thể tích - Bơm với lưu lượng cố định + Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; + Bơm bánh răng ăn khớp trong; + Bơm pittông hướng trục; + Bơm trục vít; + Bơm pittông dãy; + Bơm cánh gạt kép; + Bơm rôto. - Bơm với lưu lượng thay đổi + Bơm pittông hướng tâm; + Bơm pittông hướng trục (truyền bằng đĩa nghiêng); + Bơm pittông hướng trục (truyền bằng khớp cầu); + Bơm cánh gạt đơn. a. Bơm bánh răng - Nguyên lý làm việc Hình 2.8a. Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích: khi thể tích của buồng hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút; và nén khi thể tích giảm, bơm đẩy dầu ra ở buồng B, thực hiện chu kỳ nén. Nếu như trên đường dầu bị đẩy ra ta đặt một vật cản (ví dụ như van), dầu bị chặn sẽ tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản và kết cấu của bơm. - Phân loại Bơm bánh răng là loại bơm dùng rộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Phạm vi sử dụng của bơm bánh răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ 18
8. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu trên các máy khoan, doa, bào, phay, máy tổ hợp, Phạm vi áp suất sử dụng của bơm bánh răng hiện nay có thể từ 10  200bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo). Hình 2.8b. Bơm bánh răng a. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; b. Bơm bánh răng ăn khớp trong; c. Ký hiệu bơm. Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong, có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V. Loại bánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì chế tạo dễ hơn, nhưng bánh răng ăn khớp trong thì có kích thước gọn nhẹ hơn. - 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. (Lưu lượng của bơm phụ thuộc vào kết cấu). Nếu ta đặt: m- Module của bánh răng [cm]; d- Đường kính chia bánh răng [cm]; b- Bề rộng bánh răng [cm]; n- Số vòng quay trong một phút [vòng/phút]; Z - Số răng (hai bánh răng có số răng bằng nhau). Thì lượng dầu do hai bánh răng chuyển đi khi nó quay một vòng: 3 Qv = 2. .d.m.b [cm /vòng] hoặc [l/ph] (2.18) Nếu gọi Z là số răng, tính đến hiệu suất thể tích của bơm và số vòng quay n, thì lưu lượng của bơm bánh răng sẽ là: 2 3 Q = 2. .Z.m .b.n.t [cm /phút] hoặc [l/ph] (2.19) t = 0,76  0,88 hiệu suất của bơm bánh răng. - Kết cấu bơm bánh răng Kết cấu của bơm bánh răng được thể hiện như ở hình 2.8. 19
9. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Bơm trục vít Bơm trục vít là sự biến dạng của bơm bánh răng. Nếu bánh răng nghiêng có số răng nhỏ, chiều dày và góc nghiêng của răng lớn thì bánh răng sẽ thành trục vít. Bơm trục vít thường có 2 trục vít ăn khớp với nhau (hình 2.9). Bơm trục vít thường được sản xuất thành 3 loại: - Loại áp suất thấp: p = 1015 bar - Loại áp suất trung bình: p = 3060 bar - Loại áp suất cao: p = 60200 bar. Bơm trục vít có đặc điểm là dầu được chuyển từ buồng hút sang buồng nén 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. Ưu điểm căn bản là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ. c. Bơm cánh gạt - Phân loại Bơm cánh gạt cũng là loại bơm được dùng rộng rãi sau bơm bánh răng và chủ yếu dùng ở hệ thống có áp thấp và trung bình. 20
10. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt bảo đảm một lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn. Kết cấu bơm cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nhưng có thể chia thành hai loại chính: - Bơm cánh gạt đơn. - Bơm cánh gạt kép. c1. Bơm cánh gạt đơn Hình 2.10. Nguyên tắc điều chỉnh lưu lượng bơm cánh gạt đơn a. Nguyên lý và ký hiệu; b. Điều chỉnh bằng lò xo; c. Điều chỉnh lưu lượng bằng thủy lực. Bơm cánh gạt đơn là khi trục quay một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm việc bao gồm một lần hút và một lần nén. Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng trượt), thể hiện ở hình 2.10. c2. Bơm cánh gạt kép Bơm cánh gạt kép là khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén (hình 2.11). - Lưu lượng của bơm cánh gạt Nếu các kích thước hình học có đơn vị là [cm], số vòng quay n [vòng/phút], thì lưu lượng qua bơm là: Q = 2.10-3. .e.n.(B.D + 4.b.d) [lít/phút] (2.20) Trong đó: D- đường kính Stato; B- chiều rộng cánh gạt; b- chiều sâu của rãnh; e- độ lệch tâm; d- đường kính con lăn. 21
11. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.11. Bơm cánh gạt kép d. Bơm pittông - Phân loại Bơm pittông là loại bơm dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích của cơ cấu pittông - xilanh. Vì bề mặt làm việc của cơ cấu này là mặt trụ, do đó dễ dàng đạt được độ chính xác gia công cao, bảo đảm hiệu suất thể tích tốt, có khả năng thực hiện được với áp suất làm việc lớn (áp suất lớn nhất có thể đạt được là p = 700bar). Bơm pittông thường dùng ở những hệ thống dầu ép cần áp suất cao và lưu lượng lớn; đó là máy chuốt, máy xúc, máy nén, Dựa trên cách bố trí pittông, bơm có thể phân thành các loại: - Bơm pittông tác dụng đơn. - Bơm pittông tác dụng kép. - Bơm pittông hướng trục. - Bơm pittông hướng tâm. - Bơm pittông hướng trục cong. Bơm pittông có thể chế tạo với lưu lượng cố định, hoặc lưu lượng điều chỉnh được. d1. Bơm pittông tác dụng đơn (hành trình đơn). - Bơm tác dụng đơn (hình 2.12) hay còn gọi là bơm tác dụng một chiều. Trong loại bơm này chất lỏng làm việc ở về một phía của pittông. Một chu kỳ làm việc của pittông chỉ có một quá trình hút và một quá trình đẩy nối tiếp nhau. Sơ đồ cấu tạo của bơm pittông tác dụng đơn được chỉ ra trên hình 2.12. Nếu bơm pittông được kéo bởi một động cơ, thì chuyển động quay của trục động cơ được biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của pittông 1 trong xi lanh 2 nhờ hệ thống thanh truyền tay quay với hành trình S = 2R (R là bán kính tay quay). Hai điểm B1, B2 của pittông tương ứng với hai vị trí C1, C2 của tay quay. Khi trong buồng làm việc 5 chứa đầy chất lỏng, nếu tay quay từ vị trí C2 quay theo chiều mũi tên thì pittông di chuyển từ pittông di chuyển từ B2 về phía trái. Thể tích buồng 5 tăng dần, áp suất p trong đó giảm đi và nhỏ hơn áp suất mặt thoáng bể hút pa (p < pa). Do đó chất lỏng từ bể hút qua van hút 6 vào buồng làm việc 5, trong khi đó van đẩy 4 22
12. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu đóng. Khi pittông dịch chuyển từ B2 đến B1 bơm thực hiện quá trình hút. Sau đó, tay quay tiếp tục quay từ C1 đến C2, pittông đổi chiều chuyển động từ B1 đến B2. Thể tích buồng làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút 6 bị đóng , van đẩy 4 mở, chất lỏng đẩy vào ống đẩy. Quá trình pittông di chuyển từ B1 đến B2 gọi là quá trình đẩy. Như vậy cứ một vòng quay của tay quay thì bơm thực hiện được hai quá trình hút và đẩy liền nhau. Nếu tay quay tiếp tục quay thì bơm lại lặp lại quá trình hút và đẩy như cũ. Một quá trình hút và đẩy kế tiếp nhau gọi là một chu kỳ làm việc của bơm. Hình 2.12. Bơm pittông tác dụng đơn - Bơm tác dụng kép (hình 2.13) hay còn gọi là bơm tác dụng hai chiều. Trong loại bơm này pittông làm việc cả hai phía, do đó có hai buồng làm việc A, B hai van hút 1,4 và hai van đẩy 2,3. Trong một chu kỳ làm việc của bơm có hai quá trình hút và hai quá trình đẩy. - Bơm tác dụng nhiều lần (hình 2.14): 23
13. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.13. Bơm pittông tác dụng kép Hình 2.14. Bơm pittông tác dụng ba Các thông số làm việc cơ bản của bơm là lưu lượng của bơm Qb, áp suất chất lỏng làm việc p, công suất của bơm Nb. Lưu lượng riêng của bơm: D2 q AS S (2.21) b 4 Lưu lượng của bơm: Qb = qb.n.ηQ (2.22a) Lưu lượng lý thuyết của bơm: 2 3 Qb ASn D D K.n Qltb S.n (2.22b) Q 60 240 240 Đường kính pit tông của bơm : 240Qltb Qb D 3 4,253 (2.22c) Kn K.n.Q Trong đó : D- là đường kính của pittông [cm] S- hành trình pittông [cm] ; 3 Qb- lưu lượng của bơm [cm /s]; n- số vòng quay làm việc của động cơ dẫn động bơm [vg/ph] ; S K ( chọn K tùy thuộc áp suất của chất lỏng làm việc và vận tốc quay của D trục động cơ : Bơm áp suất thấp : p 20 at chọn K > 3; 3 ηQ = 0,85 ÷ 0,9 khi Qb < 15 m /h; 3 ηQ = 0,9 ÷ 0,95 khi Qb = 15 ÷ 60 m /h; 24
14. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu 3 ηQ = 0,95 ÷ 0,98 khi Qb > 60 m /h. Đường kính cần pit tông d xác định gần đúng phụ thuộc vào áp suất p theo tỷ d số như sau : D p ≤ 15 at thì = 0,3 ÷ 0,35; 15 100 at thì > 0,7. Công suất của bơm: Nb = Nđc.ηQ.ηck (2.23) Áp suất của chất lỏng làm việc: 612 N p b [at] (2.24) Qb Trong đó : Qb- lưu lượng của bơm [l/ph]; p- Áp suất của chất lỏng làm việc [at] ; Nđc : Công suất trên trục động cơ [kW] ; nđc -số vòng quay làm việc của động cơ nđc [vg/ph] ;. ηQ; ηck.-Hiệu suất của bơm d2.Bơm pittông hướng tâm Lưu lượng được tính toán bằng việc xác định thể tích của xilanh. Nếu ta đặt d- là đường kính của xilanh [cm], thì thể tích của một xilanh khi rôto quay một vòng: .d 2 q .h [cm3/vòng] (2.25) 4 Trong đó: h- hành trình pittông [cm] Vì hành trình của pittông h = 2e (e là độ lệch tâm của rôto và stato), nên nếu bơm có z pittông và làm việc với số vòng quay là n [vòng/phút], thì lưu lượng của bơm sẽ là: 10 3 . Q q.z.n.10 3 [lít/phút] .d2 .e.z.h [lít/phút] (2.26) 2 Hành trình của pittông thông thường là h = (1,31,4)d và số vòng quay nmax =1500vg/ph. Lưu lượng của bơm pittông hướng tâm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng trượt), hình 2.15. 25
15. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.15. Bơm pittông hướng tâm Sau một vòng quay của rôto, mỗi pittông thực hiện một khoảng chạy kép có độ lớn bằng 2 lần độ lệch tâm e. d3. Bơm pittông hướng trục Bơm pittông hướng trục là loại bơm có pittông đặt song song với trục của rôto và được truyền bằng khớp hoặc bằng đĩa nghiêng. Ngoài những ưu điểm như của bơm pittông hướng tâm, bơm pittông hướng trục còn có ưu điểm nữa là kích thước của nó nhỏ gọn hơn, khi cùng một cỡ với bơm hướng tâm. Ngoài ra, so với tất cả các loại bơm khác, bơm pittông hướng trục có hiệu suất tốt nhất, và hiệu suất hầu như không phụ thuộc vào tải trọng và số vòng quay. Nếu lấy các ký hiệu như ở bơm pittông hướng tâm và đường kính trên đó phân bố các xilanh là D [cm], thì lưu lượng của bơm sẽ là: .d22 .d Q 10 33 . .h.z.n 10 . .z.n.D.tg [lít/phút] (2.27) 44 Loại bơm này thường được chế tạo với lưu lượng Q = 30640 l/ph và áp suất p = 60bar, số vòng quay thường dùng là 1450vg/ph hoặc 950vg/ph, nhưng ở những bơm có rôto không lớn thì số vòng quay có thể dùng từ 20002500vg/ph. 26
16. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.16. Bơm pittông hướng trục Bơm pittông hướng trục hầu hết là điều chỉnh lưu lượng được, hình 2.17. Trong các loại bơm pittông, độ không đồng đều của lưu lượng không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm chuyển động của pittông, mà còn phụ thuộc vào số lượng pittông. Độ không đồng đều được xác định như sau: QQ k max min (2.28) Qmax Độ không đồng đều k còn phụ thuộc vào số lượng pittông chẵn hay lẻ. Hình 2.17. Điều chỉnh lưu lượng bơm pittông hướng trục 2.1.5. Tiêu chuẩn chọn bơm Những đại lượng đặc trưng cho bơm và động cơ dầu gồm có: a. Thể tích nén (lưu lượng vòng): là đại lượng đặc trưng quan trọng nhất, ký hiệu V[cm3/vòng]. Ở loại bơm pittông, đại lượng này tương ứng chiều dài hành trình pittông. Đối với bơm: Q ~ n.V [lít/phút], và động cơ dầu: p ~ M/V [bar]. 27
17. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Số vòng quay n [vg/ph] c. Áp suất p [bar] d. Hiệu suất [%] e. Tiếng ồn Khi chọn bơm, cần phải xem xét các yếu tố về kỹ thuật và kinh tế sau: - Giá thành; - Tuổi thọ; - Áp suất; - Phạm vi số vòng quay; - Khả năng chịu các hợp chất hoá học; - Sự dao động của lưu lượng; - Thể tích nén cố định hoặc thay đổi; - Công suất; - Khả năng bơm các loại tạp chất; - Hiệu suất. 2.2. XILANH TRUYỀN ĐỘNG (CƠ CẤU CHẤP HÀNH) 2.2.1. Nhiệm vụ Xilanh thủy lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi thế năng của dầu thành cơ năng, thực hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay. J Thông thường xylanh được lắp cố định, pit tông chuyển động. Một số trường hợp có thể pit tông cố định, xylanh chuyển động. Pit tông bắt đầu chuyển động khi lực tác động một trong hai phía của nó (lực áp suất, lò xo hoặc cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động (lực ma sát, phụ tải, lực ì ) 2.2.2. Phân loại Xilanh thủy lực được chia làm hai loại: xilanh lực và xilanh quay (hay còn gọi là xilanh mômen). Trong xilanh lực, chuyển động tương đối giữa pittông với xilanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xilanh quay, chuyển động tương đối giữa pittông với xilanh là chuyển động quay (với góc quay thường nhỏ hơn 3600). Pittông bắt đầu chuyển động khi lực tác động lên một trong hai phía của nó (lực đó có thể là lực áp suất, lực lò xo hoặc cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động (lực ma sát, thủy động, phụ tải, lò xo, ). Ngoài ra, xilanh truyền động còn được phân theo: a. Theo cấu tạo - Xilanh đơn Lùi về nhờ ngoại lực 28
18. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Lùi về nhờ lò xo - Xilanh kép Lùi về bằng thủy lực Lùi về bằng thủy lực có giảm chấn Tác dụng cả hai phía Tác dụng quay - Xilanh vi sai Tác dụng đơn Tác dụng kép b. Theo kiểu lắp ráp - Lắp chặt thân - Lắp chặt mặt bích - Lắp xoay được - Lắp gá ở 1 đầu xilanh 2.2.3. Cấu tạo xilanh 29
19. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.18. Cấu tạo xilanh tác dung kép có cần pittông một phía 1. Thân; 2. Mặt bích hông; 3.Mặt bích hông; 4. Cần pittông; 5. Pittông; 6. Ổ trượt; 7. Vòng chắn dầu; 8. Vòng đệm; 9. Tấm nối; 10. Vòng chắn hình O; 11. Vòng chắn pittông; 12. Ống nối; 13. Tấm dẫn hướng; 14. Vòng chắn hình O; 15. Đai ốc; 16. Vít vặn; 17. ống nối. Ở hình 2.18 là ví dụ xilanh tác dụng kép có cần pittông một phía. Xilanh có các bộ phận chính là thân (gọi là xilanh), pittông, cần pittông và một số vòng làm kín. 2.2.4. Một số xilanh thông dụng 2.2.4.1. Xylanh lực a. Xilanh tác dụng đơn Chất lỏng làm việc chỉ tác động một phía của pittông và tạo nên chuyển động một chiều. Chiều chuyển động ngược lại được thực hiện nhờ lực lò xo. Hình 2.19. Xilanh tác dụng đơn (chiều ngược lại bằng lò xo) và ký hiệu 30
20. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Xilanh tác dụng kép Chất lỏng làm việc tác động vào hai phía của pittông và tạo nên chuyển động hai chiều. Hình 2.20. Xilanh tác dụng kép a. Xilanh tác dụng kép không có giảm chấn cuối hành trình và ký hiệu; b. Xilanh tác dụng kép có giảm chấn cuối hành trình và ký hiệu. 2.2.4.2. Xylanh quay Xylanh quay có khả năng tạo momen quay rất lớn. Góc quay phụ thuộc vào số cánh gạt của trục. Đối với xylanh có một cánh gạt, góc quay có thể đạt 270 ÷ 280o (hình 2.21). Hình 2.21. Xilanh quay 31
21. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu 2.2.5. Tính toán xilanh truyền lực a. Diện tích A, lực F, và áp suất p - Diện tích pittông .D2 .(D 2 d 2 ) A;A (2.29) 1244 - Lực Ft = p.A (2.30) - Áp suất F p t (2.31) A Hình 2.22a. Áp suất p, lực F trong xilanh Trong đó: A - diện tích tiết diện pittông [cm2]; D - đường kính của xilanh [cm]; d - đường kính của cần [cm]; p - áp suất [bar]; Ft - lực [kN]. Nếu tính đến tổn thất thể tích ở xilanh, để tính toán đơn giản, ta chọn: F Áp suất: p t .104 (2.32) A. .d 2 Diện tích pittông: A .10 2 (2.33) 4 Bảng 2.1 Trong đó: d - đường kính của pittông [mm]; p (bar) 20 120 160 85 90 95 t - hiệu suất, lấy theo bảng sau:  (%) Như vậy pittông bắt đầu chuyển động được, khi lực Ft > FG + FA + FR Trong đó: FG- trọng lực; FA- lực gia tốc; FR- lực ma sát. b. Quan hệ giữa lưu lượng Q, vận tốc v và diện tích A Lưu lượng chảy vào xilanh tính theo công thức sau: Q = A.v (2.34) Để tính toán đơn giản, ta chọn: Q = A.v.10-1 .D2 A .10 2 (2.35) 4 32
22. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Trong đó: D - đường kính [mm]; A - diện tích của xilanh [cm2]; Q - lưu lượng [lít/phút]; v - vận tốc [m/phút]. Hình 2.22b. Quan hệ giữa Q, v và A 2.3. BỂ DẦU 2.3.1. Nhiệm vụ Bể dầu có nhiệm vụ chính sau: - Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận dầu chảy về). - Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm dầu làm việc. - Lắng đọng các chất cạn bã trong quá trình làm việc. - Tách nước. 2.3.2. Chọn kích thƣớc bể dầu Đối với các loại bể dầu di chuyển, ví dụ bể dầu trên các xe vận chuyển thì có thể tích bể dầu được chọn như sau: V = 1,5.Qv (2.36) Đối với các loại bể dầu cố định, ví dụ bể dầu trong các máy, dây chuyền, thì thể tích bể dầu được chọn như sau: V = (35).Qv (2.37) Trong đó: V [lít]; Q [l/ph]. 2.3.3. Kết cấu của bể dầu Hình 2.23 là sơ đồ bố trí các cụm thiết bị cần thiết của bể cấp dầu cho hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 1. Động cơ điện; 2. Ống nén; 3. Bộ lọc; 4. Phía hút; 5. Vách ngăn; 6. Phía xả; 7. Mắt dầu; 8. Đổ dầu; 9. Ống xả. Hình 2.23. Bể dầu 33
23. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Bể dầu được ngăn làm hai ngăn bởi một màng lọc (5). Khi mở động cơ (1), bơm dầu làm việc, dầu được hút lên qua bộ lọc (3) cấp cho hệ thống điều khiển, dầu xả về được cho vào một ngăn khác. Dầu thường đổ vào bể qua một cửa (8) bố trí trên nắp bể lọc và ống xả (9) được đặt vào gần sát bể chứa. Có thể kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắt dầu (7). Nhờ các màng lọc và bộ lọc, dầu cung cấp cho hệ thống điều khiển đảm bảo sạch. Sau một thời gian làm việc định kỳ thì bộ lọc phải được tháo ra rửa sạch hoặc thay mới. Trên đường ống cấp dầu (sau khi qua bơm) người ta gắn vào một van tràn điều chỉnh áp suất dầu cung cấp và đảm bảo an toàn cho đường ống cấp dầu. Kết cấu của bể dầu trong thực tế như ở hình 2.24. Hình 2.24. Kết cấu và ký hiệu bể dầu 2.4. BỘ LỌC DẦU 2.4.1. Nhiệm vụ Trong quá trình làm việc, dầu không tránh khỏi bị nhiễm bẩn do các chất bẩn từ bên ngoài vào, hoặc do bản thân dầu tạo nên. Những chất bẩn ấy sẽ làm kẹt các khe hở, các tiết diện chảy có kích thước nhỏ trong các cơ cấu dầu ép, gây nên những trở ngại, hư hỏng trong các hoạt động của hệ thống. Do đó trong các hệ thống dầu ép đều dùng bộ lọc dầu để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu, phần tử dầu ép. Bộ lọc dầu thường đặt ở ống hút của bơm. Trường hợp dầu cần sạch hơn, đặt thêm một bộ nữa ở cửa ra của bơm và một bộ ở ống xả của hệ thống dầu ép. Ký hiệu: 2.4.2. Phân loại theo kích thƣớc lọc Tùy thuộc vào kích thước chất bẩn có thể lọc được, bộ lọc dầu có thể phân thành các loại sau: a. Bộ lọc thô: có thể lọc những chất bẩn đến 0,1mm. 34
24. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Bộ lọc trung bình: có thể lọc những chất bẩn đến 0,01mm. c. Bộ lọc tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,005mm. d. Bộ lọc đặc biệt tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,001mm. Các hệ thống dầu trong máy công cụ thường dùng bộ lọc trung bình và bộ lọc tinh. Bộ lọc đặc biệt tinh chủ yếu dùng các phòng thí nghiệm. Hình 2.25. Bộ lọc 2.4.3. Phân loại theo kết cấu Dựa vào kết cấu, ta có thể phân biệt được các loại bộ lọc dầu như sau: bộ lọc lưới, bộ lọc lá, bộ lọc giấy, bộ lọc nỉ, bộ lọc nam châm, Ta chỉ xét một số bộ lọc dầu thông thường nhất. a. Bộ lọc lưới Bộ lọc lưới là loại bộ lọc dầu đơn giản nhất. Nó gồm khung cứng và lưới bằng đồng bao xung quanh. Dầu từ ngoài xuyên qua các mắt lưới và các lỗ để vào ống hút. Hình dáng và kích thước của bộ lọc lưới rất khác nhau tùy thuộc vào vị trí và công dụng của bộ lọc. Do sức cản của lưới, nên dầu khi qua bộ lọc bị giảm áp. Khi tính toán, tổn thất áp suất thường lấy p = 0,30,5bar, trường hợp đặc biệt có thể lấy p = 12bar. Nhược điểm của bộ lọc lưới là chất bẩn dễ bám vào các bề mặt lưới và khó tẩy ra. Do đó thường dùng nó để lọc thô, như lắp vào ống hút của bơm. Trường hợp này phải dùng thêm bộ lọc Hình 2.26. Màng lọc lưới tinh ở ống ra. b. Bộ lọc lá, sợi thủy tinh Bộ lọc lá là bộ lọc dùng những lá thép mỏng để lọc dầu. Đây là loại dùng rộng rãi nhất trong hệ thống dầu ép của máy công cụ. Kết cấu của nó như sau: làm nhiệm vụ lọc ở các bộ lọc lá là các lá thép hình tròn và những lá thép hình sao. Nhưng lá thép này được lắp đồng tâm trên trục, tấm nọ trên tấm kia. Giữa các cặp lắp chen mảnh thép trên trục có tiết diện vuông. Số lượng lá thép cần thiết phụ thuộc vào lưu lượng cần lọc, nhiều nhất là 1000 1200 lá. Tổn thất áp suất lớn nhất là p = 4bar. Lưu lượng lọc có thể từ 8  100 l/ph. Bộ lọc lá chủ yếu dùng để lọc thô. Ưu điểm lớn nhất của nó là khi tẩy chất bẩn, khỏi phải dùng máy và tháo bộ lọc ra ngoài. 35
25. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hiện nay phần lớn người ta thay vật liệu của các lá thép bằng vật liệu sợi thủy tinh, độ bền của các bộ lọc này cao và có khả năng chế tạo dễ dàng, các đặc tính vật liệu không thay đổi nhiều trong quá trình làm việc do ảnh hưởng về cơ và hóa của dầu. Hình 2.27. Màng lọc bằng sợi thủy tinh Để tính toán lưu lượng chảy qua bộ lọc dầu, người ta dùng công thức tính lưu lượng chảy qua lưới lọc: A. p Q . [l / ph] (2.38)  Trong đó: A- diện tích toàn bộ bề mặt lọc [cm2] p = p1 - p2 - hiệu áp của bộ lọc [bar]; - độ nhớt động học của dầu [P]; - hệ số lọc, đặc trưng cho lượng dầu chảy qua bộ lọc trên đơn vị diện tích và thời gian [lít/(cm2.phút)]. Tùy thuộc vào đặc điểm của bộ lọc, ta có thể lấy trị số như sau: = 0,0060,009 [lít/(cm2.phút)]. 2.4.4. Cách lắp bộ lọc trong hệ thống Tùy theo yêu cầu chất lượng của dầu trong hệ thống điều khiển, mà ta có thể lắp bộ lọc dầu theo các vị trí khác nhau như sau: a. Lắp bộ lọc ở đường hút b. Lắp bộ lọc ở đường nén c. Lắp bộ lọc ở đường xả Hình 2.28. Cách lắp bộ lọc trong hệ thống 36
26. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu 2.5. ĐO ÁP SUẤT VÀ LƢU LƢỢNG 2.5.1. Đo áp suất a. Đo áp suất bằng áp kế lò xo Nguyên lý đo áp suất bằng áp kế lò xo: dưới tác dụng của áp lực, lò xo bị biến dạng, qua cơ cấu thanh truyền hay đòn bẩy và bánh răng, độ biến dạng của lò xo sẽ chuyển đổi thành giá trị được ghi trên mặt hiện số. Hình 2.29. Áp kế lò xo b. Nguyên lý hoạt động của áp kế lò xo tấm 1. Kim chỉ; Dưới tác dụng của áp suất, lò xo 2. Thanh răng; tấm (5) bị biến dạng, qua trục đòn bẩy 3. Chi tiết (4), chi tiết hình đáy quạt (3), chi tiết hình đáy quạt; thanh răng (2), kim chỉ (1), giá trị áp 4. Đòn bẩy; suất được thể hiện trên mặt số. 5. Lò xo tấm. ; 5. Lò xo tấm. Hình 2.29. Áp kế lò xo tấm 2.5.2. Đo lƣu lƣợng a. Đo lưu lượng bằng hình ôvan và bánh răng Chất lỏng chảy qua ống làm quay bánh ôvan và bánh răng, độ lớn lưu lượng được xác định bằng lượng chất lỏng chảy qua bánh ôvan và bánh răng. Hình 2.30. Đo lưu lượng bằng bánh ôvan và bánh răng 37
27. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Đo lưu lượng bằng tuabin và cánh gạt Chất lỏng chảy qua ống làm quay cánh tuabin và cánh gạt, độ lớn lưu lượng được xác định bằng tốc độ quay của cánh tuabin và cánh gạt. Hình 2.31. Đo lưu lượng bằng tuabin và cánh gạt c. Đo lưu lượng theo nguyên lý độ chênh áp Hai áp kế được đặt ở hai đầu của màng ngăn, độ lớn lưu lượng được xác định bằng độ chênh lệch áp suất (tổn thất áp suất) trên hai áp kế p1 và p2. Qpv Hình 2.32. Đo lưu lượng theo nguyên lý độ chênh áp d. Đo lưu lượng bằng lực căng lò xo Chất lỏng chảy qua ống tác động vào đầu đo, trên đầu đo có gắn lò xo, lưu chất chảy qua lưu lượng kế ít hay nhiều sẽ đ ợc xác định qua kim chỉ. Hình 2.33. Đo lưu lượng bằng lực căng lò xo 2.6. BÌNH TRÍCH CHỨA 2.6.1. Nhiệm vụ Bình trích chứa là cơ cấu dùng trong các hệ truyền dẫn thủy lực để điều hòa năng lượng thông qua áp suất và lưu lượng của chất lỏng làm việc. Bình trích chứa làm việc theo hai quá trình: tích năng lượng vào và cấp năng lượng ra. Bình trích chứa được sử dụng rộng rãi trong các loại máy rèn, máy ép, trong các cơ cấu tay máy và đường dây tự động, nhằm làm giảm công suất của bơm, tăng độ tin cậy và hiệu suất sử dụng của toàn hệ thủy lực. 2.6.2. Phân loại Theo nguyên lý tạo ra tải, bình trích chứa thủy lực được chia thành ba loại, thể hiện ở hình 2.34: 38
28. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Hình 2.34.Các loại bình trích chứa thủy lực a. Bình trích chứa trọng vật; b. Bình trích chứa lò xo; c. Bình trích chứa thủy khí; d. Ký hiệu. a. Bình trích chứa trọng vật Bình trích chứa trọng vật tạo ra một áp suất lý thuyết hoàn toàn cố định, nếu bỏ qua lực ma sát phát sinh ở chổ tiếp xúc giữa cơ cấu làm kín và pittông và không tính đến lực quán tính của pittông chuyển dịch khi thể tích bình trích chứa thay đổi trong quá trình làm việc. Bình trích chứa loại này dùng để duy trì áp suất đồng đều, không phụ thuộc vào lượng dầu chứa trong xylanh. Do trọng lượng của trọng vật trên pittông không đổi nên áp suất do bình trích chứa tạo ra sẽ không đổi trong suốt hành trình đi xuống của pit tông. Bình trích chứa loại này yêu cầu phải bố trí trọng vật thật đối xứng so với pittông, nếu không sẽ gây ra lực thành phần ngang ở cơ cấu làm kín. Lực tác dụng ngang này sẽ làm hỏng cơ cấu làm kín và ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc ổn định của bình trích chứa. Bình trích chứa trọng vật là một cơ cấu đơn giản, nhưng cồng kềnh, thường bố trí ngoài xưởng. Vì những lý do trên nên trong thực tế ít sử dụng loại bình này. b. Bình trích chứa lò xo Quá trình tích năng lượng ở bình trích chứa lò xo là quá trình biến đổi năng lượng của lò xo. Khi pit tông càng lên cao, lò xo bị nén càng nhiều nên áp suất tác động lên pit tông phải tăng một cách tỷ lệ. Bình trích chứa lo xo có quán tính nhỏ hơn so với bình trích chứa trọng vật, vì vậy nó được sử dụng để làm tắt những va đập thủy lực trong các hệ thủy lực và giữ áp suất cố định trong các cơ cấu kẹp. c. Bình trích chứa thủy khí Bình trích chứa thủy khí lợi dụng tính chất nén được của khí, để tạo ra áp suất chất lỏng. Tính chất này cho bình trích chứa có khả năng giảm chấn. Trong bình trích chứa trọng vật áp suất hầu như cố định không phụ thuộc vào vị trí của pittông, trong bình trích chứa lò xo áp suất thay đổi tỷ lệ tuyến tính, còn trong bình trích chứa thủy khí áp suất chất lỏng thay đổi theo những định luật thay đổi áp suất của khí. Theo kết cấu bình trích chứa thủy khí được chia thành hai loại chính: 39
29. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu - Loại không có ngăn: loại này ít dùng trong thực tế (Có nhược điểm: khí tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, trong quá trình làm việc khí sẽ xâm nhập vào chất lỏng và gây ra sự làm việc không ổn định cho toàn hệ thống. Cách khắc phục là bình trích chứa phải có kết cấu hình trụ nhỏ và dài để giảm bớt diện tích tiếp xúc giữa khí và chất lỏng). - Loại có ngăn Bình trích chứa thủy khí có ngăn phân cách hai môi trường được dùng rộng rãi trong những hệ thủy lực di động. Phụ thuộc vào kết cấu ngăn phân cách, bình loại này được phân ra thành nhiều kiểu: kiểu pittông, kiểu màng, Cấu tạo của bình trích chứa có ngăn bằng màng gồm: trong khoang trên của bình trích chứa thủy khí, được nạp khí với áp suất nạp vào là pn khi không có chất lỏng làm việc trong bình trích chứa. Hình 2.35. Bình trích chứa thủy khí có ngăn Nếu ta gọi pmin là áp suất nhỏ nhất của chất lỏng làm việc của bình trích chứa, thì pn pmin. Áp suất p của chất lỏng đạt được khi thể tích của chất lỏng trong bình có được ứng với giá trị cho phép lớn nhất của áp suất khí trong khoang trên. Khí sử dụng trong bình trích chứa thường là khí nitơ hoặc không khí, còn chất lỏng làm việc là dầu. Việc làm kín giữa hai khoang khí và chất lỏng là vô cùng quan trọng, đặc biệt là đối với loại bình làm việc ở áp suất cao và nhiệt độ thấp. Bình trích chứa loại này có thể làm việc ở áp suất chất lỏng 100kG/cm2. Đối với bình trích chứa thủy khí có ngăn chia đàn hồi, nên sử dụng khí nitơ, còn không khí sẽ làm cao su mau hỏng. Nguyên tắc hoạt động của bình trích chứa loại này gồm có hai quá trình đó là quá trình nạp và quá trình xả. Một cánh bằng cao su tổng hợp được gắn với van khí đặt trên đỉnh của thiết bị (vỏ phải chịu được áp suất lớn). Van ở cửa nạp dầu sẽ đóng, mở để tích trữ hoặc giải phóng dầu. Nếu toàn bộ dầu được giải phóng thì cánh sẽ giãn rộng đẩy van đóng lại. 40
30. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Van khí Cánh Van dầu Hình 2.36. Quá trình nạp Hình 2.37. Quá trình xả 2.7. THỰC HÀNH TÌM HIỂU CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG VÀ XỬ LÝ DẦU 2.7.1. Tìm hiểu cấu tạo của các loại bơm a. Bơm với lưu lượng cố định - Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; - Bơm bánh răng ăn khớp trong; - Bơm pittông hướng trục; - Bơm trục vít; - Bơm pittông dãy; - Bơm cánh gạt kép; - Bơm rôto. 41
31. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu b. Bơm với lưu lượng thay đổi - Bơm pittông hướng tâm; - Bơm pittông hướng trục (truyền bằng đĩa nghiêng); - Bơm pittông hướng trục (truyền bằng khớp cầu); - Bơm cánh gạt đơn. 2.7.2. Tìm hiểu cấu tạo của các loại xylanh truyền động a. Xylanh lực b. Xylanh quay (xylanh momen) 2.7.3. Tìm hiểu cấu tạo của các loại thiết bị xử lý dầu a. Bể dầu b. Bộ lọc dầu c. Bình trích chứa d. Dụng cụ đo áp suất và lưu lượng BÀI TẬP : Ví dụ 1 : Xác định các thông số làm việc cơ bản của bơm pittông tác dụng đơn cho biết: Đường kính pittông D = 145 mm, hành trình pittông S = 450 mm, công suất trên trục động cơ Nđc = 56,8 kW, số vòng quay làm việc của động cơ nđc = 75 vg/ph. Hiệu suất của bơm ηQ = 0,98; ηck = 0,96. Giải: Các thông số làm việc cơ bản của bơm là lưu lượng của bơm Qb, áp suất chất lỏng làm việc p, công suất của bơm Nb. Theo điều kiện bài toán ta có: Lưu lượng riêng của bơm: D2 3,14.14,52 q FS S .45 7427 cm3/vg b 4 4 Lưu lượng của bơm: Qb = qb.n.ηQ = 7,4.75.0,98 = 545 l/ph Công suất của bơm: Nb = Nđc. ηQ. ηck = 56,8 . 0,98 . 0,96 = 53,5 kW Áp suất của chất lỏng làm việc: 612 N 612.53,5 p b 60at Qb 545 Ví dụ 2 : Một động cơ dầu có thể tích trong một vòng quay là V =300cm3 /vg và tốc độ quay n = 200 vg/ph với tổn thất áp suất là p = 200 bar. Hiệu suất thể tích ηvđ = 0,9 và hiệu suất cơ khí là ηcđ = 0,95. Tính công suất của động cơ. Giải: Hiệu suất chung của động cơ : ηt = ηvđ. ηcđ = 0,9 . 0,95 = 0,855 Lưu lượng thật của lưu chất vào động cơ : nV 3 200.300 3 Qv 10 10 66,67 l / ph v 0,9 42
32. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Công suất truyền động động cơ dầu : pQ  200 66,67 0,855 N v t 10 2 .10 2 19 kW 6 6 Ví dụ 3 : Xác định áp suất cần thiết để pit tông có diện tích 7 in2 tạo ra lực 7000 pounds. Giải: Áp suất cần thiết sẽ là : F 7000 p 1000 psi A 7 Ví dụ 4 : Áp suất ở ngõ ra của bơm được điều chỉnh ở giá trị 2000 psi tác động lên diện tích 20 in2 của máy ép. Lực tác dụng lên máy ép là bao nhiêu? Giải: Lực tác dụng lên máy ép là : F = p.A = 2000 × 20 = 40.000 pounds. Ví dụ 5 : Một bơm quay có vận tốc 1200 vg/ph, mỗi vòng quay lượng dầu phát ra là 2 in3. Lưu lương của bơm là bao nhiêu? Giải: 1 gallon = 231 in3 = 231 × 25,43 mm3 = 3.785.412 mm3 = 3,785 lít 1 in3 = 25,43 mm3 = 16.387 mm3 = 0,016387 dm3 ≈ 0,0164 lit Lưu lượng của bơm là : Qv = n.V = 1200 × 2 × 0,0164 = 39,36 l/ph. Tính lưu lượng theo gallons/minute : 2 Q n.V 1200. 10,4 gpm v 231 . Ví dụ 6 : Một xylanh lực có đường kính trong là 100 mm. Pit tông di chuyển khoảng cách 750 mm hết 15 giây. Hãy xác định lưu lượng cần thiết. Giải: Tốc độ của pit tông là : S 750 v 60 3000mm/ ph 30dm/ ph t 15 Thể tích của đoạn xylanh mà pit tông di chuyển qua trong 1 phút : d 2 3,14.12 V .v 30 23,55dm3 4 4 Lưu lượng cần thiết của xylanh là : Qv = 23,55 l/ph. Ví dụ 7 : Xác định các kích thước cơ bản và công suất của bơm pittông tác 3 dụng đơn cho biết: Lưu lượng của bơm Qb = 0,6 m /h; áp suất chất lỏng làm việc p = 200 at; số vòng quay làm việc của động cơ nđc = 195 vg/ph. Hiệu suất thiết kế ηQb = 0,85; ηckb = 0,95. Giải: S Bơm có áp suất cao p > 20 at nên chọn hệ số tỷ lệ K 4 D 43
33. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Đường kính của xylanh : 6 Qb 0,6.10 D 4,25 3 3 2,68cm 26,8 mm K.n.Q 3600 4 195 0,85 Chọn đường kính trong của xylanh theo tiêu chuẩn :D = 25 mm Đường kính cần pit tông : p > 100 at nên : d 0,8 d 0,8 D 0,8 25 20 mm D Hành trình pit tông : S = K.D = 4 × 25 = 100 mm Công suất của bơm: 3 612 Nb p.Qb 200 0,6.10 p Nb 3,27kW Qb 612 612 60 Công suất của dộng cơ : Nb 3,27 Nđc 4,04kW Qb.ckb 0,85 0,95 Ví dụ 8: Cho cơ cấu ép thủy lực như hình 2.38. Hãy tính lực tác dụng F và thời gian t của hành trình ép. Hình 2.38 Giải: Gọi F1 là lực tác dụng lên pit tông ở đầu hành trình ép và F1 là lực tác dụng lên pit tông ở cuối hành trình ép. Phương trình cân bằng lực : F F1 F2 0 Suy ra : F = F1 – F2 D2 D2 d 2 p1 p2 4 4 4 5.105. D2 10.105. d 2 5.10 3,14 0,052 10.105 3,14 0,0252 1471N 4 4 4 4 Thời gian t của hành trình ép : 44
34. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu Gọi v là vận tốc của pit tông ép H Ta có : Q v.A A 1 t 1 H.A 2,5 3,14 0,52 60 Suy ra : t 1 3,68s Q 4 8 Ví dụ 9: Một đòn bẩy thủy lực nâng tải trọng F2 = 3500 lbs. Bỏ qua ảnh hưởng của ma sát, hãy tính áp suất của dầu ép trong đòn bẩy thủy lực p1, p2 bằng đơn vị đo theo hệ Anh và hệ SI, lực F1 tác động vào piston nhỏ. Biết diện tích của các piston là 2 2 A1 = 0,35 in , A2 = 7 in . Hình 2.39 Giải: Áp suất p2 tại piston lớn là : F2 3500 p2 500 psi A2 7 Theo định luật về áp suất thủy tĩnh ta có : F1 F2 p1 p2 500 psi A1 A2 A1 F1 A1 .F2 0,35 3500 F1 175lbs A2 F2 A2 7 Đổi đơn vị áp suất theo hệ SI : 1bar = 14,5 psi = 105 N/m2 = 105 Pa Suy ra : 500 p p .105 34,5.105 N / m2 34,5.105 Pa 1 2 14,5 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày nguyên lý chuyển đổi năng lượng. Những thông số cơ bản của bơm là gì? Những thông số cơ bản của động cơ dầu là gì? 45
35. Chương 2: Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu 2. Trình bày nguyên lý làm việc của bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm cánh gạt, bơm pít tông. 3. Bể dầu có nhiệm vụ gì? Trình bày kết cấu của bể dầu. 4. Bộ lọc dầu có nhiệm vụ gì? Lọc dầu được phân loại thế nào? 5. Trình bày nguyên lý làm việc của các dụng cụ đo áp suất và lưu lượng. 6. Bình trích chứa có nhiệm vụ gì? Bình trích chứa được phân loại thế nào? 7. Xác định các thông số làm việc cơ bản của bơm pittông tác dụng đơn cho biết: Đường kính pittông D = 115 mm, hành trình pittông S = 350 mm, công suất trên trục động cơ Nđc = 50,8 kW, số vòng quay làm việc của động cơ nđc = 85 vg/ph. Hiệu suất của bơm ηQ = 0,98; ηck = 0,96. 8. Xác định các kích thước cơ bản và công suất của bơm pittông tác dụng đơn cho 3 biết: Lưu lượng của bơm Qb = 1,2 m /h; áp suất chất lỏng làm việc p = 100 at; số vòng quay làm việc của động cơ nđc = 125 vg/ph. Hiệu suất thiết kế ηQb = 0,85; ηckb = 0,95. 9. Cho cơ cấu ép thủy lực như hình 2.40. Hãy tính lực tác dụng F và thời gian t của hành trình ép. Hình 2.40 46