3. 3
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................................7
Phần thứ nhất. TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC 9
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC ..............................11
1.1. Khái niệm chung về truyền động thủy lực 11
1.1.1. Phân loại 11
1.1.2. Các đại lượng cơ bản của truyền động thủy lực 11
1.2. Ưu, nhược điểm của truyền động thủy lực 14
1.2.1. Ưu điểm 14
1.2.2. Nhược điểm 15
1.3. Nguyên lý làm việc của truyền động thủy lực 15
1.4. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực 15
1.4.1. Hệ thống truyền động thủy lực chuyển động tịnh tiến 15
1.4.2. Hệ thống truyền động thủy lực chuyển động quay 16
1.5. Các định luật chất lỏng 17
1.5.1. Định luật áp suất thủy tĩnh 17
1.5.2. Phương trình dòng chảy liên tục 18
1.5.3. Phương trình Bernulli 18
1.6. Tổn thất trong hệ thống truyền động thủy lực 19
1.6.1. Tổn thất thể tích 19
1.6.2. Tổn thất cơ khí 20
1.6.3. Tổn thất áp suất 20
1.6.4. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến tổn thất áp suất 21
1.7. Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực 25
1.7.1. Độ nhớt 25
1.7.2. Yêu cầu đối với dầu thủy lực 25
Chương 2. CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ
DẦU.............................................................................................................................27
2.1. Cơ cấu biến đổi năng lượng 27
2.1.1. Nguyên lý biến đổi năng lượng 27
2.1.2. Bơm và động cơ thủy lực 27
2.1.3. Xi lanh thủy lực 43
4. 4
2.2. Hệ thống xử lý dầu 45
2.2.1. Thùng dầu thủy lực 45
2.2.2. Bộ lọc dầu 47
2.2.3. Bình trích chứa (tích áp) 50
2.2.4. Ống dẫn, ống nối 53
2.2.5. Vòng chắn 55
Chương 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỆN THỦY LỰC...............57
3.1. Khái niệm 57
3.2. Các phần tử của hệ thống điều khiển thủy lực và điện - thủy lực 57
3.2.1. Van áp suất 57
3.2.2. Van đảo chiều 63
3.2.3. Van tiết lưu 68
3.2.4. Bộ ổn tốc 72
3.2.5. Bộ phân dòng 75
3.2.6. Van chặn 76
3.2.7. Các loại van điện - thủy lực 79
Chương 4. ỨNG DỤNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
THỦY LỰC ...............................................................................................................87
4.1. Ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển bằng thủy lực 87
4.1.1. Máy dập thủy lực 87
4.1.2. Cơ cấu rót tự động cho quy trình công nghệ đúc 87
4.1.3. Nâng hạ chi tiết được sơn trong lò sấy 88
4.1.4. Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 90
4.1.5. Hệ thống cẩu tải trọng nhẹ 91
4.1.6. Máy khoan bàn 92
4.2. Ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển bằng điện - thủy lực 93
4.2.1. Thiết bị uốn tôn 93
4.2.2. Thiết bị ép lắp chi tiết 94
4.2.3. Máy dập ép 96
4.2.4. Điều khiển đóng mở cửa 97
4.2.5. Máy ép 99
4.2.6. Thiết bị lắp ráp với hai cơ cấu chấp hành 101
4.2.7. Thiết bị nâng gói hàng 103
4.3. Ứng dụng hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy lực 105
4.3.1. Hệ thống truyền động và điều khiển vị trí sử dụng van servo 105
4.3.2. Hệ thống truyền động và điều khiển vị trí sử dụng van tỷ lệ 108
4.3.3. Hệ thống truyền động và điều khiển tốc độ sử dụng van servo 109
5. 5
4.4. Thiết kế hệ thống truyền động thủy lực 110
4.4.1. Tính toán một số đại lượng của bơm và động cơ thủy lực 110
4.4.2. Tính toán hệ thống thủy lực chuyển động tịnh tiến 111
4.4.3. Tính toán hệ thống thủy lực chuyển động quay 114
4.4.4. Tính toán ống dẫn thủy lực 115
4.4.5. Tính toán một số mạch thủy lực điển hình 117
Phần thứ hai. TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 125
Chương 5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN.................................127
5.1. Khả năng ứng dụng của khí nén 127
5.1.1. Trong lĩnh vực điều khiển 127
5.1.2. Trong các hệ thống truyền động 127
5.2. Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 128
5.2.1. Ưu điểm 128
5.2.2. Nhược điểm 128
5.3. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động khí nén 129
5.4. Cơ sở lý thuyết tính toán truyền động khí nén 130
5.4.1. Thành phần hóa học và các đại lượng vật lý cơ bản của không khí 130
5.4.2. Phương trình trạng thái nhiệt động học 131
5.4.3. Phương trình dòng chảy 136
5.4.4. Lưu lượng khí nén qua khe hở hẹp 137
5.4.5. Tổn thất áp suất trong truyền động khí nén 140
Chương 6. SẢN XUẤT, PHÂN PHỐI VÀ XỬ LÝ KHÍ NÉN...........................................148
6.1. Sản xuất khí nén 148
6.1.1. Nguyên tắc hoạt động và phân loại máy nén khí 148
6.1.2. Máy nén khí kiểu píttông 148
6.1.3. Máy nén khí kiểu cánh gạt 149
6.1.4. Máy nén khí kiểu trục vít 150
6.1.5. Máy nén khí kiểu Root 152
6.2. Phân phối khí nén 152
6.2.1. Yêu cầu 152
6.2.2. Bình trích chứa khí nén 153
6.2.3. Mạng đường ống dẫn khí nén 154
6.3. Xử lý khí nén 157
6.3.1. Yêu cầu về khí nén 157
6.3.2. Các phương pháp xử lý khí nén 158
6. 6
Chương 7. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ ĐIỆN KHÍ NÉN......................166
7.1. Khái niệm 166
7.2. Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén và điện khí nén 167
7.2.1. Van đảo chiều 167
7.2.2. Van chặn 175
7.2.3. Van tiết lưu 178
7.2.4. Van áp suất 179
7.2.5. Van điều chỉnh thời gian 181
7.2.6. Van chân không 181
7.2.7. Cơ cấu chấp hành 182
Chương 8. ỨNG DỤNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ
NÉN ...........................................................................................................................187
8.1. Ứng dụng hệ thống điều khiển khí nén và điện - khí nén 187
8.1.1. Thiết bị chuyển hướng 187
8.1.2. Điều khiển phễu 188
8.1.3. Ổ nạp đứng 190
8.1.4. Ổ nạp đứng có nhiều khoang 191
8.1.5. Điều khiển dây đai băng chuyền 192
8.1.6. Bàn quay chỉ vị trí 194
8.1.7. Hệ thống ép vật liệu rời thành khối 195
8.1.8. Cơ cấu ép khi hàn nhiệt điện 196
8.1.9. Máy thở tích cực trong y tế 197
8.2. Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén 198
8.2.1. Biểu đồ trạng thái 198
8.2.2. Các phương pháp điều khiển bằng khí nén 199
8.3. Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén 211
8.3.1. Nguyên tắc thiết kế 212
8.3.2. Mạch điều khiển điện - khí nén với một xilanh 212
8.3.3. Mạch điều khiển điện - khí nén theo nhịp có 2 xilanh khí nén 214
8.3.4. Mạch điều khiển điện - khí nén theo tầng 216
PHỤ LỤC .....................................................................................................................................218
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................230
7. 7
LỜI NÓI ĐẦU
Để đáp ứng nhu cầu học tập của sinh viên và yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo,
giáo trình “Truyền động thủy lực và khí nén” được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và
học tập cho giảng viên, sinh viên các ngành Kỹ thuật cơ khí, Công nghệ kỹ thuật Cơ điện
tử và Công nghệ kỹ thuật ô tô tại Khoa Cơ điện và Công trình - Trường Đại học Lâm
nghiệp, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành kỹ thuật khác, các kỹ
sư, cán bộ kỹ thuật khi vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa và tính toán thiết kế hệ thống
thủy lực - khí nén trên các máy và thiết bị công nghiệp.
Nội dung của giáo trình gồm hai phần chính:
Phần thứ nhất. Truyền động thủy lực, bao gồm các nội dung:
Chương 1 - Cơ sở lý thuyết về truyền động thủy lực;
Chương 2 - Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu;
Chương 3 - Hệ thống điều khiển thủy lực và điện - thủy lực;
Chương 4 - Ứng dụng và thiết kế hệ thống truyền động thủy lực;
Phầnthứ hai. Truyềnđộngvàđiều khiểnkhí nén, baogồm các nội dung:
Chương 5 - Cơ sở lý thuyết về truyền động khí nén;
Chương 6 - Sản xuất, phân phối và xử lý khí nén;
Chương 7 - Hệ thống điều khiển khí nén và điện - khí nén;
Chương 8 - Ứng dụng và thiết kế hệ thống điều khiển khí nén;
Tập thể tác giả chân thành cảm ơn bộ môn Kỹ thuật cơ khí, khoa Cơ điện và Công
trình, trường Đại học lâm nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý
báu nhằm nâng cao chất lượng của giáo trình.
Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã cố gắng trình bày những vấn đề cơ bản nhất,
cập nhật những kiến thức mới, hiện đại và một số ứng dụng từ thực tế sản xuất để đáp
ứng yêu cầu đào tạo và phù hợp với thực tiễn ở Việt Nam. Tuy nhiên, do điều kiện thời
gian có hạn, trong quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi
mong sự góp ý của bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn trong lần xuất bản sau.
Thư góp ý xin gửi về Bộ môn Kỹ thuật cơ khí, khoa Cơ điện và Công trình trường Đại
học Lâm nghiệp - Hà Nội.
Các tác giả
11. 11
Chương 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
1.1. Khái niệm chung về truyền động thủy lực
1.1.1. Phân loại
Truyền động thủy lực (TĐTL) được chia làm hai loại: Thủy động học và thủy
tĩnh học:
- Thủy động học: Năng lượng được truyền đi bao gồm: Động năng
g
v
2
2
và áp năng
p
(hình 1.1a), năng lượng được truyền đi nhờ sự tác động va đập của chất lỏng vào các
cánh quạt tua bin (dùng động năng của chất lỏng chuyển biến thành cơ năng).
- Thủy tĩnh học (truyền động thể tích): Năng lượng được truyền đi chủ yếu nhờ áp
năng (hình 1.1b), năng lượng được truyền đi bằng cách tác dụng một lực đẩy làm cho
lưu chất tạo ra áp suất cân bằng với tải ngoài.
Hầu hết truyền động thủy lực trên các máy công nghiệp ngày nay đều hoạt động
theo nguyên lý thủy tĩnh.
a) b)
Hình 1.1. Phân loại truyền động thủy lực
a) Thiết bị thủy động; b) Thiết bị thủy tĩnh
1.1.2. Các đại lượng cơ bản của truyền động thủy lực
1.1.2.1. Áp suất
a) Áp suất khí quyển
Bao xung quanh trái đất một lớp không khí dày 80,5km (khoảng 50 dặm). Không
khí rất nhẹ nhưng có khối lượng nên tạo nên lực trọng lượng tác dụng lên bề mặt trái đất
12. 12
tạo ra áp suất. Như vậy, áp suất được tạo ra bởi khí quyển trái đất gọi là áp suất
khí quyển.
Lực tạo ra bởi một cột không khí có chiều cao 80,5km so với mặt nước biển và diện
tích đáy 1in2
là 14,7 pounds.
Do đó ở điều kiện bình thường, mọi nơi trên mặt đất có độ cao như nhau so với mặt
nước biển đều chịu áp suất khí quyển có giá trị là:
2
0
1
7
,
14
in
pounds
p =14,7 psi = 101300 N/m2
= 1 at
Pound (0,4536 kg) per square inch (6,4521 cm2
); Ký hiệu lbs/in2
(psi).
Ở những vùng núi cao thì áp suất khí quyển sẽ thấp hơn vì chiều cao cột không
khí giảm.
b) Áp suất tuyệt đối
Áp suất tuyệt đối là áp suất tính cả áp suất khí quyển; Đơn vị đo áp suất tuyệt đối là
psia (pounds per square inches absolute).
c) Áp suất đo
Áp suất đo là áp suất không tính đến áp suất khí quyển.
Vì vậy:
Áp suất tuyệt đối = áp suất đo + 14,7 (psi)
Áp suất đo = áp suất tuyệt đối - 14,7 (psi)
Chú ý:
Đơn vị đo: Theo hệ đơn vị SI đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa): 1 Pa = 105
N/m2.
Đơn vị khá nhỏ nên thường dùng MPa = 106
Pa = 10at hoặc N/m2
; N/cm2
, bỏ đơn vị
cũ kG/cm2;
Ngoài ra còn dùng: 1bar = 105
N/m2
và 1 at = 9,81.104
N/m2
. Ở Đức theo tiêu chuẩn
DIN dùng Kp/cm2
1Kp/cm2
= 1KG/cm2
hay 1bar = 1,02 KG/cm2
1.1.2.2. Vận tốc
Vận tốc của lưu chất là tốc độ trung bình của các hạt đi qua một điểm cho trước;
Đơn vị vận tốc tính là: (m/s) hoặc Feet/giây (ft/s), (1ft = 0,3048 m).
1.1.2.3. Lưu lượng
Lưu lượng là lượng chất lỏng đi qua trong một đơn vị thời gian. Đơn vị tính lưu
lượng là (lít/phút); (dm
3
/phút); (ml/ phút); (cm3
/phút) hoặc gallon/phút (gpm);
1 gallon = 231 in
3
= 3788,4 (ml); 1 in
3
= 16,4 (ml).
13. 13
Trong hệ thống thủy lực thì lưu lượng là lượng chất lỏng do bơm tạo ra trong một
đơn vị thời gian, thường dùng đơn vị (lít/phút).
Lưu lượng riêng của bơm, động cơ (dung lượng) q là lượng chất lỏng do bơm cung
cấp trong 1 vòng quay (bơm rotor) hoặc trong một chu kỳ hoạt động (bơm píttông). Đơn
vị: (ml/vòng), (cm3
/vòng) hoặc (in
3
/rev)
Ta có mối quan hệ giữa lưu lượng và lưu lượng riêng theo công thức:
1000
.n
q
Q (lít/phút) (1.1)
Trong đó:
q - Lưu lượng riêng, (cm3
/vòng);
n - Số vòng quay của trục bơm, (vòng/phút);
Q - Lưu lượng, (lít/phút).
Ví dụ: Một bơm có vận tốc 1200 (rpm), có lưu lượng riêng là q = 2(in
3
/rev). Tính lưu
lượng của bơm ra lít/phút (lpm) và gallons/phút (gpm).
Ta có: 1in3
= 16,387 cm3
nên 2in3
= 32,8 cm3
. Vậy q = 32,8 (cm3
/rev).
1000
1200
.
8
,
32
1000
.
n
q
Q =39,3 (l/p)
Và 1 galolls = 231 in3
nên
231
1200
.
2
231
.
/
3
rpm
rev
in
Q = 10,4(gpm)
- Lưu lượng danh định: Lưu lượng được xác định ở tốc độ danh định với áp suất ở
cửa ra và cửa vào của bơm theo tiêu chuẩn (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Tốc độ và áp suất cửa vào, cửa ra của bơm theo tiêu chuẩn
Thông số Bơm cánh gạt Bơm piston
Tốc độ 1200 rpm 1800 rpm
Áp suất cửa ra 100 psi (6,9 bar) 100 psi (6,9 bar)
Áp suất cửa vào 0 psi 0 psi
Ví dụ: Bơm cánh gạt có lưu lượng 15 (gpm) là bơm cung cấp 15 gallons trong 1
phút với các điều kiện tốc độ danh định là 1200 rpm và áp suất ở cửa vào, ra theo tiêu
chuẩn ở bảng 1.1.
- Khi vận hành ở tốc độ bất kỳ, lưu lượng thực tế của bơm sẽ là:
gpm = (gpm (danh định) rpm)/rpm (danh định)
Ví dụ: Bơm cánh gạt có lưu lượng danh định là 15 (gpm) thì khi vận hành ở tốc độ
600 (rpm) sẽ là:
Gpm(600) = 15.600/1200 = 7,5
14. 14
Vậy hiệu suất thể tích sẽ là:
%
100
dđ
tt
v
Q
Q
(1.2)
Ví dụ: Bơm cánh gạt cung cấp lưu lượng 15 gpm ở 100 psi, nhưng chỉ cung cấp 12
gpm ở 200 psi.
Vậy hiệu suất thể tích của bơm này là: %
100
.
15
12
v
=80%
1.1.2.4. Công suất
- Công suất danh định ở cửa ra của bơm được tính theo công thức:
kW = 0,00167 Q (lít/phút) p (bar); (1.3)
Hoặc: HP = 0,000583 Q(gpm) p (psi); (1.4)
HP (horse power) - Sức ngựa (mã lực) do James Watt phát minh;
- Công suất đầu vào: Do có sự tổn thất do ma sát và sự rò rỉ trong hệ thống nên công
suất đầu vào luôn lớn hơn công suất đầu ra. Đánh giá sự mất mát công suất giữa đầu vào
và đầu ra thông qua hệ số hiệu suất ( ):
vào
ra
Q
Q
(1.5)
Công suất đầu vào: ra
vao
Q
Q
1.2. Ưu, nhược điểm của truyền động thủy lực
1.2.1. Ưu điểm
- Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt
động với độ tin cậy cao đòi hỏi ít phải chăm sóc, bảo dưỡng.
- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, dễ thực hiện tự động hoá theo
điều kiện làm việc hay theo chương trình cho sẵn.
- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không phụ thuộc vào nhau,
các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi chỗ.
- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao.
- Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có
thể sử dụng ở vận tốc cao mà không bị va đập mạnh như trong trường hợp truyền động
cơ khí hay truyền động điện.
- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ
cấu chấp hành.
- Bảo vệ quá tải an toàn và thuận lợi nhờ van an toàn.
- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch.
- Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp bằng cách dùng các phần tử tiêu
chuẩn hóa.
15. 15
1.2.2. Nhược điểm
- Tổn thất trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất
và hạn chế phạm vi sử dụng.
- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất
lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn.
- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi
do độ nhớt của chất lỏng thay đổi.
1.3. Nguyên lý làm việc của truyền động thủy lực
Trong hệ thống thủy lực, trước tiên cơ năng được chuyển thành năng lượng thủy
lực, sau đó được truyền đi và điều khiển theo quy luật, cuối cùng được truyền trở lại
thành cơ năng. Dựa vào đó người ta chia hệ thống truyền động thủy lực bao gồm các
nhóm phần tử có chức năng khác nhau, một hệ thống bao gồm:
- Quá trình chuyển đổi năng lượng (tạo ra năng lượng): Phần tử tạo ra năng lượng
đóng vai trò chủ yếu trong hệ thống thủy lực là bơm thủy lực còn thứ yếu là xi lanh và
động cơ thủy lực. Ngoài ra bình tích áp cũng có vai trò tạo năng lượng.
- Điều khiển năng lượng: Năng lượng thủy lực dưới dạng áp suất và lưu lượng được
điều khiển nhờ các van cũng như các khối điều áp của các bơm thủy lực có lưu lượng
thay đổi;
- Truyền năng lượng: Thực hiện nhờ dầu thủy lực chảy qua ống cứng, ống mềm, lỗ..
- Các thành phần khác: Để lưu giữ và chuẩn bị cho sự hoạt động của chất lỏng thủy
lực người ta cần một số thiết bị như: Bộ lọc dầu, thùng chứa dầu, bộ làm mát dầu, bộ
tản nhiệt, bộ phát nhiệt...
1.4. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực
1.4.1. Hệ thống truyền động thủy lực chuyển động tịnh tiến
Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực chuyển động tịnh tiến ở hình 1.2.
Bơm thủy lực (1) hút dầu từ thùng chứa để cung cấp dầu cho hệ thống với lưu
lượng Qb. Dầu thủy lực được đưa đến van tiết lưu (3) để điều khiển lưu lượng cung cấp
cho cơ cấu chấp hành nhằm mục đích thay đổi vận tốc của cần píttông. Tùy vào vị trí
làm việc của van đảo chiều (4) để dầu thủy lực có áp được đưa vào khoang phải hoặc
khoang trái của xi lanh thủy lực (5). Giả sử dầu thủy lực đưa vào khoang bên trái của xi
lanh (5), thì dưới tác dụng của áp suất dầu thủy lực tác dụng vào mặt của píttông sẽ tạo
nên lực đẩy cần píttông sang phải. Khi đó, dầu ở khoang bên phải xi lanh bị dồn qua van
đảo chiều rồi đến van một chiều để về thùng chứa. Muốn đổi chiều chuyển động của
píttông, ta điều khiển van đảo chiều cho dầu cung cấp vào khoang phải của xi lanh.
Dưới tác dụng của áp suất dầu lên mặt píttông tạo nên lực đẩy píttông sang bên trái. Dầu
ở khoang bên trái bị dồn qua van đảo chiều và van tiết lưu để về thùng chứa. Van an
toàn (2) lắp song song với bơm thủy lực (1) có công dụng bảo vệ hệ thống khi áp suất
làm việc vượt quá áp suất quy định, khi đó van sẽ mở cho dầu qua van về thùng chứa
đảm bảo an toàn cho hệ thống.
16. 16
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực chuyển động tịnh tiến
1. Bơm thủy lực; 2. Van an toàn; 3. Van tiết lưu; 4. Van đảo chiều; 5. Xi lanh thủy lực; 6. Van một chiều
1.4.2. Hệ thống truyền động thủy lực chuyển động quay
Sơ đồ hệ thống truyền động
thủy lực chuyển động quay ở hình
1.3.
Bơm thủy lực (1) hút dầu từ
thùng chứa để cung cấp dầu cho hệ
thống với lưu lượng Qb. Dầu thủy
lực được đưa đến van tiết lưu (3) để
điều khiển lưu lượng cung cấp cho
cơ cấu chấp hành nhằm mục đích
thay đổi tốc độ của trục động cơ
thủy lực (5). Tùy vào vị trí làm việc
của van đảo chiều (4), dầu thủy lực
có áp được đưa vào khoang phải
hoặc khoang trái của động cơ thủy
lực (5). Giả sử dầu thủy lực đưa vào
khoang bên trái của động cơ thủy
lực (5), thì dưới tác dụng của áp
suất dầu thủy lực sẽ tạo nên mô
men quay trên trục động cơ làm nó
quay theo chiều kim đồng hồ. Khi
đó, dầu ở khoang bên phải của động cơ bị dồn qua van đảo chiều rồi đến van một chiều
để về thùng chứa. Muốn đổi chiều chuyển động của động cơ, ta điều khiển van đảo
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống truyền động
thủy lực chuyển động quay
1. Bơm thủy lực; 2. Van an toàn; 3. Van tiết lưu;
4. Van đảo chiều; 5. Động cơ thủy lực; 6. Van một chiều
17. 17
chiều để cho dầu cung cấp vào khoang phải của động cơ. Dưới tác dụng của áp suất dầu
tạo nên mô men quay trên trục động cơ và trục sẽ quay theo chiều ngược kim đồng hồ.
Van an toàn (2) lắp song song với bơm thủy lực (1) để phòng khi áp suất làm việc trong
hệ thống vượt quá áp suất quy định, khi đó van sẽ mở cho dầu qua van để về thùng chứa
đảm bảo an toàn cho hệ thống.
1.5. Các định luật chất lỏng
1.5.1. Định luật áp suất thủy tĩnh
Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng và ngoại lực) tác dụng lên mỗi phần tử
chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa (hình 1.4).
h
l
2
l
1
a) b) c)
Hình 1.4. Áp suất thủy tĩnh
Ở hình 1.4a ta có: L
s p
g
h
p
.
. (1.6)
Ở hình 1.4b ta có:
A
F
pF (1.7)
Và ở hình 1.4c ta có:
2
2
1
1
A
F
A
F
pF
và
2
1
1
2
2
1
F
F
A
A
l
l
(1.8)
Trong đó:
- Khối lượng riêng của chất lỏng;
h - Chiều cao của cột nước;
g - Gia tốc trọng trường;
pS- Áp suất do lực trọng trường;
pL- Áp suất khí quyển;
pF- Áp suất của tải trọng ngoài;
A, A1, A2 - Diện tích bề mặt tiếp xúc;
F - Tải trọng ngoài.
18. 18
1.5.2. Phương trình dòng chảy liên tục
Lưu lượng (Q) chảy trong đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi. Lưu
lượng (Q) của chất lỏng qua mặt cắt của ống có tiết diện A bằng nhau trong toàn ống
(điều kiện liên tục). Ta có phương trình dòng chảy như sau:
const
v
A
Q
. (hằng số) (1.9)
Với v là vận tốc dòng chảy trung bình qua mặt cắt tiết diện A;
Nếu tiết diện dòng chảy là hình tròn có tiết diện tương ứng tại vị trí mặt cắt 1 và 2 là
A1 và A2, ta có:
2
1 Q
Q hay 2
2
1
1 .
. v
A
v
A (1.10)
Từ công thức (1.10) suy ra:
4
.
4
.
2
2
2
2
1
1
d
v
d
v
(1.11)
Từ công thức (1.11) suy ra vận tốc dòng chảy tại vị trí mặt cắt 2 là:
2
2
2
1
1
2 .
d
d
v
v (1.12)
Hình 1.5. Dòng chảy liên tục
Trong đó:
Q1(m3
/s), v1(m/s), A1(m2
), d1 (m) lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng
chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí mặt cắt 1;
Q2(m3
/s), v2(m/s), A2(m2
), d2(m) lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng
chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí mặt cắt 2.
1.5.3. Phương trình Bernulli
Theo hình 1.6 ta có áp suất tại một điểm của chất lỏng đang chảy được xác định
theo phương trình:
19. 19
const
v
h
g
p
v
h
g
p
2
.
.
.
2
.
.
.
2
2
2
2
2
1
1
1
(1.13)
Trong đó:
2
2
1
1
.
.
.
.
h
g
p
h
g
p
: Áp suất thủy tĩnh;
2
.
;
2
. 2
2
2
1 v
v
: Áp suất thủy động;
g
.
: Trọng lượng riêng;
Hình 1.6. Phương trình Bernulli
1.6. Tổn thất trong hệ thống truyền động thủy lực
Trong hệ thống truyền động thủy lực có các loại tổn thất sau:
1.6.1. Tổn thất thể tích
Loại tổn thất này do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của hệ
thống gây nên. Nếu áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất
càng lớn.
Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm, động cơ và
xi lanh thủy lực);
Đối với bơm thủy lực, tổn thất thể tích được thể hiện bằng hiệu suất sau:
0
Q
Qtt
tb
(1.14)
Trong đó: tt
Q - Lưu lượng thực tế của bơm thủy lực;
0
Q - Lưu lượng danh nghĩa của bơm thủy lực;
Nếu lưu lượng chảy qua động cơ thủy lực là đ
Q0 và lưu lượng thực tế là đ
Q thì tổn
thất thể tích của động cơ sẽ là:
đ
đ
tđ
Q
Q0
(1.15)
Nếu không kể đến lượng dầu rò rỉ ở các mối nối và ở các van thì tổn thất trong hệ
thống thủy lực có bơm dầu và động cơ sẽ là:
tđ
tb
t
.
(1.16)
20. 20
1.6.2. Tổn thất cơ khí
Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối ở trong bơm
dầu và động cơ dầu gây nên.
Tổn thất cơ khí của bơm (động cơ) được thể hiện bằng hiệu suất cơ khí:
N
N
c
0
(1.17)
N0 - Công suất cần thiết để quay bơm (động cơ) thủy lực (công suất danh nghĩa),
tức là công suất cần thiết để đảm bảo lưu lượng Q và áp suất p của dầu.
N - Công suất thực tế đo được trên trục bơm (do mô men xoắn trên trục).
* Đối với bơm thủy lực:
N
N b
cb
0
(1.18)
Trong đó:
4
0
10
.
6
.Q
p
N b (kW) (1.19)
* Đối với động cơ thủy lực:
đ
đ
cđ
N
N
0
(1.20)
Trong đó:
4
0
10
.
6
. đ
đ
Q
p
N (kW) (1.21)
Tổn thất cơ khí của hệ thống thủy lực là:
cd
cb
c
.
(1.22)
1.6.3. Tổn thất áp suất
Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ
bơm đến cơ cấu chấp hành (động cơ dầu, xi lanh truyền lực). Tổn thất này phụ thuộc
vào các yếu tố sau:
- Chiều dài ống dẫn;
- Độ nhẵn thành ống;
- Độ lớn tiết diện ống dẫn;
- Tốc độ dòng chảy;
- Sự thay đổi tiết diện;
- Sự thay đổi hướng chuyển động
21. 21
- Trọng lượng riêng, độ nhớt.
Nếu p0 là áp suất của hệ thống, p1 là áp suất ở cửa ra, thì tổn thất áp suất được biểu
thị bằng hệ số hiệu suất:
0
0
1
0
p
p
p
p
p
a
(1.23)
Hiệu áp p
là trị số tổn thất áp suất;
Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ gây nên được tính theo công thức sau:
d
l
v
g
p .
.
2
.
.
10 2
(N/m2
) =
d
l
v
g
.
.
2
.
.
10 2
4
(bar) (1.24)
Trong đó: - Khối lượng riêng của dầu, (914 kg/m3
);
g - Gia tốc trọng trường, (9,81 m/s2
);
v - Vận tốc trung bình của dầu, (m/s);
- Hệ số tổn thất cục bộ;
l - Chiều dài ống dẫn, (m);
d - Đường kính ống, (m).
1.6.4. Ảnh hưởng của các thông số hình học đến tổn thất áp suất
a) Tiết diện dạng tròn (hình 1.7)
Nếu ta gọi:
p
- Tổn thất áp suất;
l - Chiều dài ống dẫn;
- Khối lượng riêng của chất lỏng;
Q - Lưu lượng chất lỏng chảy qua;
D- Đường kính đường ống; Hình 1.7. Dạng tiết diện tròn
- Độ nhớt động học;
- Hệ số ma sát của ống.
LAM
- Hệ số ma sát đối với chảy tầng;
TURB
- Hệ số ma sát đối với chảy rối;
Tổn thất áp suất được tính theo công thức:
5
2
2
.
.
.
.
8
D
Q
l
p
(1.25)
Với
Q
v
D
LAM
.
.
256
(1.26)
22. 22
Và
4
.
.
4
316
,
0
.
v
D
Q
TURB
(1.27)
Số Reynold: 3000
.
.
4
v
D
Q
Hình 1.8. Chảy tầng, chảy rối
b). Tiết diện thay đổi lớn đột ngột (hình 1.9)
Tổn thất áp suất: 4
1
2
2
2
2
2
1 .
.
8
.
1
D
Q
D
D
p
(1.28)
Trong đó:
D1 - Đường kính ống dẫn vào;
D2 - Đường kính ống dẫn ra.
Hình 1.9. Tiết diện thay đổi lớn đột ngột
c) Tiết diện thay đổi nhỏ đột ngột (hình 1.10)
Tổn thất: 4
1
2
2
2
1
2
2 .
.
8
).
1
.(
5
,
0
D
Q
D
D
p
(1.29)
Hình 1.10. Tiết diện thay đổi nhỏ đột ngột
Trong đó: D1 - Đường kính ống dẫn vào;
D2 - Đường kính ống dẫn ra.
23. 23
d) Tiết diện thay đổi lớn từ từ (hình 1.11)
Tổn thất áp suất:
4
1
2
2
4
1
4
2 .
.
8
).
1
.(
2
,
0
12
,
0
D
Q
D
D
p
(1.30)
Hình 1.11. Tiết diện thay đổi lớn từ từ
e). Tiết diện thay đổi nhỏ từ từ (hình 1.12)
Tổn thất áp suất:
0
p (1.31)
Hình 1.12. Tiết diện thay đổi nhỏ từ từ
f). Khi vào ống dẫn (hình 1.13)
Tổn thất áp suất được tính theo công thức sau:
4
2
2
.
.
8
.
D
Q
p E
(1.32)
Trong đó: E
là hệ số thất thoát, được chia thành hai trường hợp như bảng 1.2
Bảng 1.2. Hệ số thất thoát ( E
) (hình 1.13)
Cạnh Hệ số thất thoát ( E
)
Sắc 0,5
Gẫy khúc 0,25
a
Tròn 0,06
b Có trước <3
24. 24
a) b)
Hình 1.13. Đầu vào ống dẫn
g). Khi ra khỏi ống dẫn (hình 1.14)
Tổn thất áp suất được tính theo công thức sau: 4
2
2
.
.
8
.
D
Q
p U
(1.33)
Bảng 1.3. Hệ số thất thoát ( U
)
Hệ số thất thoát ( U
)
3000
.
.
4
v
D
Q
2,0
3000
.
.
4
v
D
Q
1,0
h). Ống dẫn gẫy khúc (hình 1.15) và (hình 1.16)
Khi 4
D
R
Tổn thất áp suất được tính theo công thức sau:
4
2
2
.
.
8
.
D
Q
p U
(1.34) Hình 1.15. Ống dẫn gẫy khúc góc
Hệ số thất thoát U
được tra theo bảng 1.4
Bảng 1.4. Hệ số thất thoát U
Góc Hệ số thất thoát ( U
)
20o
0,06
40o
0,2
60o
0,47
Hình 1.14. Đầu ra ống dẫn
Hình 1.16. Ống dẫn gẫy khúc góc
25. 25
1.7. Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực
1.7.1. Độ nhớt
Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của chất lỏng. Độ nhớt xác
định ma sát trong bản thân chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng trượt hoặc
biến dạng cắt của chất lỏng. Có hai loại độ nhớt:
a) Độ nhớt động lực
Độ nhớt động lực là lực ma sát tính bằng 1 N tác động trên một đơn vị diện tích
bề mặt 1 m2
của hai lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng, cách nhau 1m và
có vận tốc 1 (m/s).
Độ nhớt động lực được tính bằng (Pa.s). Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị
Poazơ (Poiseuille), ký hiệu là P: 1P = 0,1 N.s/m2
= 0,010193 kG.s/m2
Trong tính toán kỹ thuật, thường dùng gần đúng: 1P = 0,0102 kG.s/m2
và 1P = 100
cP (centipoiseuille)
b) Độ nhớt động
Độ nhớt động là tỷ số giữa độ nhớt động lực với khối lượng riêng của chất lỏng,
ký hiệu là và được tính theo công thức:
(1.35)
Đơn vị của độ nhớt động lực là (m2
/s), ngoài ra còn dùng đơn vị stốc (stoke), ký
hiệu là St hoặc centistoke, ký hiệu là cSt.
1St = 1cm2
/s = 10-4
m2
/s
1cSt = 10-2
St = 1mm2
/s
c) Độ nhớt Engler
Độ nhớt Engler (E0
) là một tỷ số quy ước dùng để so sánh thời gian chảy 200cm3
dầu qua ống dẫn có đường kính 2,8mm với thời gian chảy của 200cm3
nước cất ở nhiệt
độ 20o
C qua ống dẫn có cùng đường kính, ký hiệu
n
t
t
E
0
Độ nhớt Engler thường được đo khi dầu ở nhiệt độ 20, 50, 100o
và ký hiệu tương
ứng 20 50 100
, ,
o o o
E E E .
1.7.2. Yêu cầu đối với dầu thủy lực
Những chỉ tiêu cơ bản đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc là độ nhớt, khả năng
chịu nhiệt, độ ổn định tính chất vật lý, tính chống rỉ, tính ăn mòn các chi tiết cao su, khả
năng bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông đặc.
26. 26
Dầu thủy lực làm việc phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn nhiệt độ và áp suất;
- Độ nhớt của dầu ít phụ thuộc vào nhiệt độ;
- Có tính trung hòa (tính trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả năng xâm
nhập của khí nhưng dễ dàng tách khí ra;
- Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di
trượt nhằm đảm bảo độ rò rỉ dầu bé nhất cũng như tổn thất ma sát ít nhất;
- Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hòa tan trong nước và không khí, dẫn
nhiệt tốt, có mô đun đàn hồi, hệ số nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ.
Trong các yêu cầu trên thì dầu khoáng chất thỏa mãn đầy đủ nhất.
27. 27
Chương 2. CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ DẦU
2.1. Cơ cấu biến đổi năng lượng
2.1.1. Nguyên lý biến đổi năng lượng
Bơm, động cơ là một phần tử quan trọng nhất của hệ thống truyền động và điều
khiển thủy lực - khí nén, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu - khí nén và
ngược lại.
Trong hệ thống thủy lực - khí nén 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 - khí, thực hiện chu kỳ hút và khi thể
tích của buồng làm việc giảm, bơm đẩy dầu - khí ra thực hiện chu kỳ nén. Tùy 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 điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh.
Những thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất.
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 khoang hút và khoang đẩy, giữa khoang đẩy với bên ngoài nên
lưu lượng thực tế của bơm nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết và giảm dần khi áp suất tăng.
2.1.2. Bơm và động cơ thủy lực
Bơm, động cơ là một phần tử quan trọng nhất của hệ thống truyền động và điều
khiển thủy lực, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu và ngược lại.
Bơm và động cơ thủy lực là hai phần tử có chức năng khác nhau:
Bơm dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu (dòng chất lỏng) còn động cơ
thủy lực thì ngược lại. Trong hệ thống truyền động thủy lực thường dùng bơm, động cơ
làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích, tức là loại bơm, động cơ thực hiện việc biến
đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc. Mặc dù chức năng khác
nhau nhưng kết cấu và phương pháp tính toán bơm và động cơ cùng loại giống nhau.
28. 28
2.1.2.1. Phân loại và phạm vi sử dụng
a) Phân loại bơm và động cơ thủy lực
* Phân loại bơm thủy lực
- Căn cứ vào khả năng điều chỉnh lưu lượng:
+ Bơm có lưu lượng cố định, gọi tắt là bơm cố định.
+ Bơm có lưu lượng điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh.
- Căn cứ theo cấu tạo và nguyên lý làm việc có các loại ghi ở bảng 2.1:
Bảng 2.1. Các loại bơm thủy lực
Cấu tạo Ký hiệu
Với píttông 1 cấp 1
Bơm tay
Với píttông 2 cấp 2
Piston nén trong 3
Bơm píttông hướng tâm
Piston nén ngoài 4
Trục thẳng 5
Bơm píttông hướng trục
Trục nghiêng 6
Bơm píttông chuyển
động tịnh tiến
Bơm nhiều píttông 7
Ăn khớp ngoài 8
Bơm bánh răng
Ăn khớp trong 9
Bơm cánh gạt 10
Bơm tấm nén 11
Bơm Gerater 12
Bơm thủy lực
Bơm píttông chuyển
động quay
Bơm vít 13
* Phân loại động cơ thủy lực
Theo cấu tạo và nguyên lý làm việc, động cơ thủy lực gồm các loại được ghi ở
bảng 2.2:
Bảng 2.2. Các loại động cơ thủy lực
Cấu tạo Ký hiệu
Trục thẳng 1
Động cơ thủy lực píttông
hướng trục
Trục cong (nghiêng) 2
Nén trong 3
Động cơ píttông
chuyển động
tịnh tiến
Động cơ thủy lực píttông
hướng tâm
Nén ngoài 4
Động cơ thủy lực bánh răng Ăn khớp ngoài 5
Động cơ thủy lực cánh gạt 6
Động cơ
thủy lực
Động cơ píttông
chuyển động
quay
Động cơ thủy lực Gerator 7
29. 29
b) Phạm vi sử dụng
Phạm vi sử dụng một số loại bơm thủy lực theo áp suất làm việc được ghi ở bảng
2.3 và động cơ thủy lực ghi ở bảng 2.4 và bảng 2.5:
Bảng 2.3. Phạm vi sử dụng các loại bơm thủy lực
Loại Áp suất làm việc p (Mpa)
0 10 20 30 40 50 60
1 xxxxxxxx xxxxxxx
2 xxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxxxxxx xx
3 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xx
4 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxx
5 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xx
6 xxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxx
Bơm
píttông
chuyển
động
tịnh tiến
7 xxxxxxxxx xx
8 xxxxxxxx xxxxx
9 xxxxxxxx xxxxxxxxx xxxxx
10 xxxxxxxx xx
11 xxxxxxxx xxxx
12 xxxxxxxx xx
Bơm
píttông
chuyển
động quay
13 xxxxxxxx xx
Bảng 2.4. Phạm vi sử dụng theo số vòng quay các loại động cơ thủy lực
Loại Số vòng quay (vòng/phút)
0 10 50 100 500 1000 2000 3000 4000
1 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
2 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
3 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
4 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
5 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
6 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
7 xxxxxxxxxxxxxxxxxx
Phạm vi sử dụng các loại động cơ thủy lực theo mô men quay được ghi ở bảng 2.5.
30. 30
Bảng 2.5. Phạm vi sử dụng theo mô men quay các loại động cơ thủy lực
Mô men làm việc (Nmm)
Loại
100 500 1000 5000 10000 20000 30000 40000
1 xxxxxxxxxxxxxxxx
2 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
3 xxxxxxxxxxxxxxxx
4 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
5 xxxxxxxxxxxxxxx
6 xxxxxxxxxxxxxxxxx
7 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
2.1.2.2. Thông số đặc trưng của bơm và động cơ thủy lực
Những thông số đặc trưng cơ bản của bơm và động cơ thủy lực, bao gồm:
a) Lưu lượng
Như ta đã biết, về lý thuyết thì lưu lượng của bơm không phụ thuộc vào áp suất mà
chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học và vận tốc quay của nó. Trong thực tế do có sự
rò rỉ qua khe hở giữa khoang hút và khoang đẩy cũng như giữa khoang đẩy và bên ngoài
nên lưu lượng thực tế nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết. Mặt khác do ống hút quá nhỏ hoặc
chất lỏng có độ nhớt quá cao và vận tốc quay quá lớn sẽ tạo ra hiện tượng “hổng”. Do
vậy, trong thực tế hiện nay, số vòng quay của bơm thủy lực thường bị hạn chế với n <
4000 (v/p). 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 tắc hẳn.
Bởi vậy cần phải lưu ý trong lúc thiết kế, lắp ráp làm sao để ống hút to, ngắn và thẳng.
Lưu lượng của bơm được xác định theo công thức 2.1.
1000
. b
lt
n
q
Q (2.1)
Trong đó: Qlt - Lưu lượng lý thuyết (lít/phút);
q - Lưu lượng riêng (thể tích dầu do bơm cung cấp ứng với một vòng
quay hay một hành trình (cm3
/vòng);
nb - số vòng quay trong một phút của trục bơm (vòng/ phút).
b) Lưu lượng riêng
Lưu lượng riêng là thể tích dầu tải đi (cung cấp) tương ứng với một vòng quay hay
một hành trình làm việc.
Nếu ta gọi:
q – Lưu lượng riêng;
A - Diện tích làm việc mặt cắt ngang của bơm;
31. 31
h - Hành trình làm việc của píttông;
VZL- Thể tích khoảng hở giữa hai răng;
Z - Số răng của bánh răng.
Ta có thể tích dầu tải đi (lưu lượng riêng) tương ứng với một vòng quay hay một
hành trình làm việc của bơm được xác định theo công thức 2.2 và 2.3, (hình 2.1):
Đối với bơm và động cơ píttông: h
A
q .
(2.2)
Đối với bơm và động cơ bánh răng: 2
.
.Z
V
q ZL
(2.3)
Hình 2.1. Bơm thể tích
Mối quan hệ giữa lưu lượng (Q) và lưu lượng riêng (q) theo công thức 2.4:
1000
.n
q
Q (2.4)
Trong đó: Q - Lưu lượng (lít/phút).
q - Lưu lượng riêng (cm3
/vòng);
n - Số vòng quay (vòng/phút)
Hay
231
.n
q
Q (2.5)
Nếu q (in3
/vòng); n (vòng/phút) và Q (galon/phút) thì lưu lượng được tính:
3
.
231
in
rpm
rev
gpm hoặc
.
1000
cc
rpm
rev
lpm
c) Áp suất làm việc
Sự thay đổi áp suất làm việc của bơm 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 an toàn).
Hình 2.2. Sự thay đổi áp suất của bơm thủy lực
32. 32
Theo định luật Pascal, ta có quan hệ giữa áp suất, lưu lượng riêng với mô men
xoắn theo công thức :
q
M
p x
(2.6)
Từ đó ta suy ra công thức tính áp suất của bơm thủy lực:
10
.
.
q
M
p tl
x
(2.7)
Trong đó: p - Áp suất, (bar);
Mx - Mô men xoắn, (N.m);
q - Lưu lượng riêng, (cm3
/vòng);
tl
- Hiệu suất thủy lực của bơm.
d) Hiệu suất
Hiệu suất toàn phần của bơm dầu được xác định theo công thức 2.8:
ηtb
= ηv
. ηck
. ηtl
(2.8)
Trong đó: ηv - Hiệu suất thể tích;
ηck - Hiệu suất cơ khí;
ηtl - Hiệu suất thủy lực;
e) Công suất
- Công suất động cơ điện: NE
= ME
. ΩE
(2.9)
- Công suất của bơm:
tb
b p
Q
N
.
60
.
(kw) (2.10)
Trong đó: Qb - Lưu lượng của bơm (l/p);
p - Áp suất làm việc (MPa);
tb
- Hiệu suất của bơm, ck
v
tl
tb
.
.
Như vậy ta có công thức tính công suất của động cơ điện theo công suất của bơm:
tb
t
b
t
E
Q
p
N
N
.
.
60
.
.
(2.11)
Trong đó: NE
, ME
, ΩE
- Công suất, mômen và vận tốc góc trên trục động cơ điện dẫn
động bơm;
N, p, Qb
- Công suất, áp suất và lưu lượng của bơm;
ηtb
- Hiệu suất toàn phần của bơm;
t
- Hiệu suất của hệ thống truyền lực từ động cơ đến bơm.
33. 33
Công suất ở cửa ra của bơm tính theo công thức:
p
Q
N b .
.
00167
,
0
2 (kw) (2.12)
Trong đó: Q - Lưu lượng của bơm (lít/phút);
p - Áp suất dầu do bơm cung cấp (bar).
Công suất ở cửa vào của bơm tính theo công thức:
tb
N
N
2
1 (2.13)
tb
- Hiệu suất của bơm, ck
v
tl
tb
.
.
(2.14)
Một số công thức tính toán đơn giản có thể lấy: tb
= 80%.
f) Mối quan hệ giữa lưu lượng và tốc độ động cơ
- Lưu lượng cần thiết (Q) để tạo ra tốc độ yêu cầu (n) trên trục động cơ được xác
định theo công thức:
1000
.q
n
Q (l/p) (2.15)
- Tốc độ động cơ: Nếu biết lưu lượng và lưu lượng riêng thì tốc độ động cơ được
xác định:
q
Q
n
.
1000
(2.16)
Trong đó: Q (l/p), q (ml/vòng); n (vòng/phút)
g) Mô men quay của động cơ
Mô men quay danh định của động cơ là mô men quay được xác định tại áp suất tiêu
chuẩn 100 psi đơn vị của mô men quay là Nm hoặc lbs.in hoặc ft.lbs.
Ví dụ: Một động cơ 25 lbs.in/100 psi, nghĩa là cần:
Áp suất 100 psi để vận hành tải 25 lbs.in.
Áp suất 200 psi để vận hành tải 50 lbs.in.
Áp suất 300 psi để vận hành tải 75 lbs.in.
Tổng quát, áp suất làm việc của động cơ được xác định theo công thức:
dđ
tai
lv
M
M
p
100
.
(2.17)
Trong đó: Mtải - Mô men tải trọng trên trục động cơ;
Mdđ - Mô men danh định của động cơ;
- Mô men quay cực đại của động cơ phụ thuộc vào áp suất cực đại động cơ chịu
được và mô men quay danh định:
34. 34
100
. max
max
p
M
M dđ
(2.18)
Từ định luật Pascal ta còn suy ra công thức tổng quát tính mô men quay của động
cơ thủy lực là:
20
q
p.
Mq (2.19)
Trong đó: p - Áp suất (bar);
q - Lưu lượng riêng (ml/vòng);
Mq – Mô men quay, (N.m).
Khi p - áp suất (psi), Q - lưu lượng riêng (in3
/vòng) thì Mq (lbs.in)
Từ công thức trên nhận thấy: Khi tăng áp suất hoặc tăng lượng dầu tương ứng mỗi
vòng quay sẽ làm tăng mô men quay của động cơ.
Liên hệ giữa mô men quay và công suất của thiết bị chuyển động quay:
N
M 9550.
n
(2.20)
Trong đó: N - Công suất (kw);
n - Số vòng quay (v/ph);
M - Mô men xoắn (Nm).
Hoặc
N
M 63025.
n
Trong đó: N - Công suất (HP);
n - Số vòng quay (v/ph);
M - Mô men xoắn (lbs.in).
Từ đó suy ra công thức xác định công suất theo mô men và số vòng quay:
9550
M.n
N (2.21)
Nếu số vòng quay n (v/ph); Mô men xoắn M (lbs.in) thì công suất N (HP); còn khi
mô men xoắn M (Nm); số vòng quay n (v/ph) thì công suất N (kw).
Khi biết áp suất và lưu lượng có thể tính được công suất thủy lực như sau:
p
Q.
.
00167
,
0
N (2.22)
Trong đó: Q - Lưu lượng (lít/phút); p - áp suất (bar)
Hoặc: p
Q
N .
.
000583
,
0
(2.23)
Trong đó: Q - Lưu lượng (gallon/phút);
p - Áp suất (psi).
35. 35
2.1.2.3. Cấu tạo bơm, động cơ thủy lực
a) Bơm, động cơ bánh răng
Bơm, động cơ thủy lực bánh răng là loại bơm, động cơ được dùng rộng rãi nhất vì
nó có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Phạm vi sử dụng của bơm, động cơ thủy lực bánh
răng chủ yếu ở những hệ thống có áp suất nhỏ hoặc trung bình trên các máy khoan, doa,
bào, phay, máy tổ hợp... Phạm vi áp suất sử dụng của bơm, động cơ bánh răng hiện nay
trong khoảng: (10 200) bar.
Bơm, động cơ bánh răng gồm có: Bơm, động cơ bánh răng ăn khớp ngoài hoặc ăn
khớp trong, loại răng 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.
* Cấu tạo chung
Kết cấu bơm, động cơ bánh răng (hình 2.3).
Hình 2.3. Kết cấu bơm, động cơ bánh răng
1. Cặp bánh răng; 2. Vành chắn; 3. Thân bơm; 4.1 và 4.2. Các mặt bích; 5. Vòng chắn dầu ở trục quay;
6. Ổ đỡ; 7. Vòng chắn để điều chỉnh độ hở mặt hông của cặp bánh răng và vành chắn
* Nguyên lý làm việc (hình 2.4).
Nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là thay đổi thể tích làm việc, khi thể tích của
buồng hút A tăng, bơm hút dầu, thực hiện chu kỳ hút và 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. Nguyên lý làm việc của động cơ bánh răng thì ngược
lại nguyên lý làm việc của bơm, nghĩa là động cơ biến áp năng của dầu thành cơ năng
trên trục của động cơ.
36. 36
a) c) b)
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm bánh răng
a) Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; b) Bơm bánh răng ăn khớp trong; c) Ký hiệu bơm
* Tính toán lưu lượng.
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.
Nếu ta gọi: m - Modul của bánh răng (cm).
d - Đường kính vòng chia bánh răng (cm).
b - Bề rộng bánh răng (cm).
n - Số vòng quay trong một phút (vg/ph).
Lượng dầu do hai bánh răng chuyển đi khi nó quay một vòng (lưu lượng riêng):
q = 2..d.m.b (cm3
/vòng) (2.24)
Nếu gọi Z là số răng, tính đến hiệu suất thể tích t của bơm và số vòng quay n, thì
lưu lượng của bơm bánh răng sẽ là:
Q = 2. .Z.m2
.b.n. t (cm3
/phút) (2.25)
b) Bơm, động cơ cánh gạt
Bơm, động cơ gạt cánh cũng là loại được dùng rộng rãi sau bơm, động cơ bánh
răng, và cũng chủ yếu dùng ở hệ thống có áp suất thấp và trung bình. So với bơm bánh
răng thì bơm cánh gạt bảo đảm một lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn. Kết
cấu của bơm, động cơ cánh gạt có nhiều loại khác nhau, nhưng có thể chia thành hai
loại chính:
- Bơm, động cơ cánh gạt tác dụng đơn.
- Bơm, động cơ cánh gạt tác dụng kép.
Bơm cánh gạt tác dụng đơn là khi trục quay một vòng, nó thực hiện một chu kỳ làm
việc bao gồm một lần hút và một lần nén.
Bơm cánh gạt tác dụng 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 2.5).
37. 37
* Cấu tạo, nguyên lý làm việc của bơm cánh gạt kép trên hình 2.5
Hình 2.5. Cấu tạo bơm cánh gạt kép
* Tính toán lưu lượng
Nếu các kích thước hình học có đơn vị là (cm), số vòng quay n (vg/ph), thì lưu
lượng qua bơm sẽ là:
Q = 2.10-3
.e.n. (B.D + 4.b.d) (lít/phút) (2.26)
Trong đó: D - Đường kính stato, (cm);
B - Chiều rộng cánh gạt, (cm);
b - Chiều sâu của rãnh, (cm);
e - Độ lệch tâm, (cm);
d - Đường kính con lăn, (cm).
* Bơm cánh gạt tác dụng đơn điều chỉnh được lưu lượng
Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng
trượt) (hình 2.6).
Hình 2.6. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng bơm cánh gạt đơn
a) Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh; b) Điều chỉnh lưu lượng bằng lò xo- vít;
c) Điều chỉnh lưu lượng bằng thủy lực; d) Ký hiệu
38. 38
c) Bơm, động cơ píttông
* Phân loại và phạm vi sử dụng
Bơm, động cơ píttông là loại cũng làm việc dựa trên nguyên tắc thay đổi thể tích
của cơ cấu píttông - xi lanh. 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 = 700 bar).
Bơm píttông thường dùng ở những hệ thống dầu ép cần áp suất cao và lưu lượng
lớn, thường gặp trên các máy truốt, máy xúc, máy nén....
Dựa trên cách bố trí píttông, bơm, động cơ có thể phân thành hai loại:
- Bơm, động cơ píttông hướng tâm.
- Bơm, động cơ píttông hướng trục.
Bơm, động cơ píttông có thể chế tạo với lưu lượng cố định, hoặc lưu lượng điều
chỉnh được.
* Bơm, động cơ pittông hướng tâm (hình 2.7)
Kết cấu của bơm, động cơ píttông hướng tâm được thể hiện ở hình 2.7.
Hình 2.7. Kết cấu bơm piston hướng tâm
* Tính toán lưu lượng
Lưu lượng bơm được tính toán bằng việc xác định thể tích của xi lanh.
Nếu ta gọi d là đường kính của xi lanh bơm (cm), thì thể tích của một xilanh khi
rôto quay một vòng sẽ là:
q =
4
. 2
d
.h (cm3
/vòng) (2.27)
Trong đó: h - Hành trình làm việc của píttông (cm).
Vì hành trình của píttông h = 2e (e là độ lệch tâm của rôto và stato), nên nếu bơm có
z píttông và làm việc với số vòng quay là n (vg/ph), thì lưu lượng của bơm sẽ là:
39. 39
Q = q. z. n. 10-3
(lít/phút) (2.28)
Hành trình của píttông thông thường là h = (1,3 1,4).d và số vòng quay nmax =
1500 vg/ph.
Một số kết cấu của bơm píttông hướng tâm giới thiệu ở hình 2.8.
Hình 2.8. Một số kết cấu của bơm píttông hướng tâm
a) Bơm píttông hướng tâm đơn; b) Bơm píttông hướng tâm kép;
c) Bơm píttông hướng tâm 3 píttông; d) Bơm píttông hướng tâm 5 píttông
* Bơm píttông hướng tâm điều chỉnh được lưu lượng
Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lệch tâm (xê dịch vòng
trượt) (hình 2.9).
Hình 2.9. Kết cấu và nguyên lý điều chỉnh lưu lượng của bơm píttông hướng tâm
1. Mặt đầu của píttông là mặt cầu; 2. Đĩa vành khăn; 3. Píttông; 4. Trục;
5. Ly hợp; 6. Rôto; 7. Trục phân phối; 8. Vít điều chỉnh
40. 40
Píttông (3) bố trí trong các lỗ hướng tâm rôto (6), quay xung quanh trục (4). Nhờ
các rãnh và lỗ bố trí thích hợp trên trục phân phối (7), có thể nối lần lượt các xi lanh
trong một nửa vòng quay của rôto với khoang hút và nửa kia với khoang đẩy.
Sau một vòng quay của rôto, mỗi píttông thực hiện một khoảng chạy kép có độ lớn
bằng 2 lần độ lệch tâm e.
Trong các kết cấu mới, truyền động píttông bằng lực ly tâm. Píttông (3) tựa trực tiếp
trên đĩa vành khăn (2). Mặt đầu của píttông là mặt cầu (1) đặt hơi nghiêng và tựa trên
mặt côn của đĩa dẫn. Rôto (6) quay được nối với trục (4) qua ly hợp (5). Để điều khiển
độ lệch tâm e, ta sử dụng vít điều chỉnh (8).
* Bơm, động cơ píttông hướng trục
Bơm, động cơ píttông hướng trục là loại có píttông đặt song song với trục của rôto
và được truyền bằng khớp hoặc bằng đĩa nghiêng (hình 2.10).
Hình 2.10. Bơm píttông hướng trục
1) Píttông; 2) Xilanh; 3) Đĩa dẫn dầu; 4) Độ nghiêng; 5) Píttông; 6) Trục truyền động
Ngoài những ưu điểm như của bơm píttông hướng tâm, bơm píttông hướng trục còn
có ưu điểm nữa là kích thước của nó nhỏ gọn hơn, khi cùng một cỡ lưu lượng, áp suất
so với bơm hướng tâm.
Nếu các ký hiệu lấy giống như ở bơm píttông hướng tâm và đường kính trên đó
phân bố các xilanh là D (cm), thì lưu lượng của bơm sẽ là:
Q = 10-3
.
4
. 2
d
. h. z. n = 10-3
.
4
. 2
d
. z. n. D. tg (lít/phút) (2.29)
Bơm píttông hướng trục hầu hết là điều chỉnh được lưu lượng (hình 2.11).
Trong công nghiệp người ta sử dụng loại bơm này, khi lưu lượng yêu cầu ít nhất là
500 (lít/phút). Ở áp suất lớn, lưu lượng nhỏ, bơm chỉ làm việc ở chế độ không liên tục,
do khả năng làm nguội kém và chóng mòn.
41. 41
Trong các loại bơm píttông, độ không đồng đều của lưu lượng không chỉ phụ thuộc
vào đặc điểm của píttông, mà còn phụ thuộc vào số lượng píttông. Độ không đồng đều
được xác định như sau:
k =
max
min
max
Q
Q
Q
(2.30)
Từ thực nghiệm, người ta xác định rằng, bơm có số lượng píttông lẻ có độ không
đồng đều k nhỏ hơn so với bơm có số lượng píttông chẵn.
Hình 2.11. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng của bơm píttông hướng trục
1. Thân bơm; 2. Píttông; 3. Đĩa nghiêng; 4. Lò xo; 5,6. Tay quay điều chỉnh góc nghiêng
c) Bơm, động cơ trục vít
* Phân loại và phạm vi sử dụng
Bơm, động cơ trục vít là sự biến dạng của bơm, động cơ 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, động cơ trục vít thường có hai trục vít ăn khớp với nhau (hình 2.12).
Hình 2.12. Bơm trục vít
42. 42
Bơm, động cơ trục vít thường được phân 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, động cơ 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, động cơ trục vít là chế tạo trục vít khá phức tạp.
Ưu điểm là chạy êm, độ nhấp nhô lưu lượng nhỏ.
2.1.2.4. Tiêu chuẩn chọn bơm, động cơ thủy lực
Những đại lượng đặc trưng cho bơm và động cơ thủy lực gồm có:
a) Lưu lượng riêng (dung lượng bơm, thể tích nén, lưu lượng vòng): là đại lượng
đặc trưng quan trọng nhất, ký hiệu q (cm3
/vòng). Ở bơm píttông, đại lượng này tương
ứng với chiều dài hành trình làm việc của píttông.
Đối với bơm: Lưu lượng Q n.q (lít/phút); và động cơ dầu: Áp suất p M/q (bar).
b) Số vòng quay (vòng/phút)
c) Áp suất làm việc p (bar)
d) Hiệu suất (%)
e) Tiếng ồn
Khi chọn bơm, động cơ
thủy lực cần phải xem xét đến
các yếu tố về kỹ thuật và kinh tế
sau (hình 2.13):
- Giá cả; 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; Hiệu suất.
- Khả năng bơm các loại
tạp chất.
Hình 2.13. Sự phụ thuộc lẫn nhau của các yếu tố
khi chọn bơm, động cơ thủy lực
43. 43
2.1.3. Xi lanh thủy lực
2.1.3.1. Nhiệm vụ
Xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành của truyền dẫn thủy lực để thực hiện chuyển
động thẳng.
2.1.3.2. Phân loại
Xi lanh thủy lực được chia làm hai loại: Xi lanh lực và xi lanh quay (hay còn gọi là
xi lanh mômen). Trong xi lanh lực, chuyển động tương đối giữa píttông với xi lanh là
chuyển động tịnh tiến. Trong xi lanh quay chuyển động tương đối giữa píttông với
xilanh là chuyển động quay, góc quay thường nhỏ hơn 3600
.
Píttông bắt đầu chuyển động khi lực tác động lên 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, thủy động, phụ tải, lò xo...).
Ngoài ra, xi lanh truyền lực còn được phân loại theo:
a) Theo cấu tạo
* Xi lanh đơn
+ Lùi về nhờ ngoại lực
+ Lùi về nhờ lò xo
* Xi lanh kép
+ Lùi về bằng thủy lực
+ Lùi về bằng thủy lực có
giảm chấn
+ Tác dụng cả hai phía
+ Tác dụng quay
* Xi lanh vi sai
+ Tác dụng đơn
+ Tác dụng kép
b) Theo kiểu lắp ráp
+ Lắp chặt thân;
+ Lắp chặt mặt bích;
+ Lắp xoay được;
+ Lắp giá ở một đầu xi
lanh; Hình 2.14. Các loại xi lanh thủy lực
44. 44
2.1.3.3. Cấu tạo xilanh
Xilanh gồm có các bộ phận chính là thân (gọi là xi lanh), píttông, cần píttông và
một số vòng làm kín. Hình 2.15 là ví dụ xi lanh tác dụng kép có cần píttông một phía.
Hình 2.15. Cấu tạo xi lanh tác dụng kép có cần píttông một phía
1. Thân; 2. Mặt bích hông; 3. Mặt bích hông; 4. Cần píttông; 5. Píttông; 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 O;15. Đai ốc; 16. Vít vặn; 17. Ống nối.
2.1.3.4. Một số xi lanh thông dụng
a) Xi lanh tác dụng đơn (hình 2.16)
Chất lỏng làm việc chỉ tác động một phía của píttông và tạo nên chuyển động một
chiều. Chuyển động ngược lại được thực hiện nhờ lực lò xo.
a) b)
Hình 2.16. Xi lanh tác dụng đơn
a) Xi lanh tác dụng đơn (chiều ngược lại bằng lò xo); b) Ký hiệu.
b) Xi lanh tác dụng kép (hình 2.17)
Chất lỏng làm việc sẽ tác động hai phía của píttông và tạo nên chuyển động hai chiều.
45. 45
Hình 2.17. Xi lanh tác dụng kép
a) Xi lanh tác dụng kép không có giảm chấn ở cuối hành trình và ký hiệu;
b) Xi lanh tác dụng kép có giảm chấn cuối hành trình và ký hiệu.
Ở giai đoạn cuối khoảng chạy, khi píttông chạm lên mặt đầu xi lanh, có thể xảy ra
va đập nếu vận tốc chuyển động của píttông hoặc xi lanh lớn, đặc biệt là đối với các
píttông, xi lanh có khối lượng lớn. Để giảm khả năng va đập này trong xilanh thường có
các bộ phận giảm chấn. Phần lớn các bộ phận giảm chấn làm việc theo nguyên lý tăng
áp suất khoang đối áp ở cuối khoảng chạy, áp suất khoang đối áp tăng, làm giảm vận tốc
chuyển động (hình 2.18).
Hình 2.18. Kết cấu xi lanh có giảm chấn ở cuối hành trình
2.2. Hệ thống xử lý dầu
2.2.1. Thùng dầu thủy lực
a) Nhiệm vụ
Thùng dầu thủy lực có nhiệm vụ chính như sau:
- Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận dầu chảy về).
46. 46
- Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình hệ thống thủy lực làm việc.
- Lắng đọng các chất cặn bã trong quá trình làm việc.
- Tách nước.
b) Tính toán kích thước thùng dầu
Độ lớn của các kích thước của thùng dầu phải đủ lớn để chứa đựng chất lỏng cho hệ
thống thủy lực làm việc.
Kích thước của thùng chứa dầu thủy lực được tính toán theo công thức:
B
T Q
K
V max
.
(2.31)
Trong đó: B
Qmax - Lưu lượng lớn nhất của tất cả các bơm, (dm3
/phút).
K - Hệ số tỷ lệ, được lấy từ (1,5 - 5) tùy thuộc vào điều kiện làm việc của
bơm và hệ thống thủy lực. Đối với các loại thùng dầu di chuyển, ví dụ
thùng dầu trên các xe vận chuyển thì K = 1,5; Đối với các loại thùng dầu
cố định, thì K = (3,0 5,0).
c) Kết cấu của thùng dầu (hình 2.19)
Hình 2.19. Kết cấu thùng dầu thủy lực
1. Động cơ điện;2. Ống hút; 3. Bộ lọc; 4. Khoang hút; 5. Vách ngăn; 6. Khoang xả;
7. Mắt dầu; 8. Cửa đổ dầu; 9. Ống xả
Thùng dầu được ngăn làm hai khoang bởi một màng lọc (5). Khi bơm dầu làm việc,
dầu được hút lên qua bộ lọc (3) cấp cho hệ thống điều khiển, dầu xả về được cho vào
khoang khác của thùng để tránh hút trực tiếp vào bơm.
Dầu thường bổ sung vào thùng dầu qua một cửa (8) bố trí trên nắp thùng. Còn ống
hút với bộ lọc (3) được đặt vào gần sát đáy thùng chứa. Có thể kiểm tra mức dầu trong
thùng nhờ mắt dầu (7).
47. 47
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 (tùy theo mức độ cụ thể ở từng máy cũng như các
chế độ làm việc ở từng nhà máy cụ thể) bộ lọc phải được tháo ra rửa sạch hoặc thay
mới. Trên đường ống cấp dầu (sau khi qua bơm) người ta thường gắn vào một van tràn
để điều chỉnh áp suất dầu cung cấp và đảm bảo an toàn cho đường ống cấp dầu.
Kết cấu và ký hiệu của thùng dầu được thể hiện ở hình 2.20.
Hình 2.20. Kết cấu và ký hiệu của thùng dầu thủy lực
2.2.2. Bộ lọc dầu
a) 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 nhỏ trong các phàn tử thủy lực, gây nên những trở ngại, hư hỏng trong các hoạt
động của hệ thống. Do đó trong các hệ thống thủy lực đều dùng bộ lọc để ngăn ngừa
chất bẩn thâm nhập vào bên trong cơ cấu, phần tử trong hệ thống thủy lực.
Bộ lọc thường đặt ở ống hút của bơm dầu. Trường hợp cần dầu sạch hơn, đặt
thêm bộ lọc nữa ở cửa ra của bơm, và một ở ống xả về thùng dầu của hệ thống thủy lực.
Ký hiệu bộ lọc dầu trong sơ đồ mạch thủy lực ở hình 2.21:
Hình 2.21. Ký hiệu lọc dầu
b) Phân loại
* Theo kích thước lọc
Tùy theo kích thước chất bẩn có thể lọc được, bộ lọc dầu có thể phân thành các
loại sau:
- Bộ lọc thô: có thể lọc những chất bẩn đến 0,1mm.
- Bộ lọc trung bình: có thể lọc những chất bẩn đến 0,01mm.
- Bộ lọc tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,005mm.
48. 48
- Bộ lọc đặc biệt tinh: có thể lọc những chất bẩn đến 0,001mm.
Các hệ thống thủy lực trong máy công nghiệp thường dùng bộ lọc trung bình và bộ
lọc tinh còn bộ lọc đặc biệt tinh chủ yếu dùng ở các phòng thí nghiệm.
* Phân loại theo kết cấu
Dựa vào kết cấu, vật liệu lọc 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 v.v...
Ta lần lượt xét một số bộ lọc dầu thường dùng nhất.
+ Bộ lọc lưới
Bộ lọc lưới là loại bộ lọc dầu đơn giản nhất. Nó gồm có 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 áp suất dầu khi qua bộ lọc bị giảm, tổn thất áp suất ấy có
thể tính toán như ở chương 1. Khi tính toán tổn thất áp suất thường lấy p = 0,3-0,5 bar,
trường hợp đặc biệt có thể lấy p = 1 2 bar.
Nhược điểm của bộ lọc lưới là chất bẩn dễ bám vào các 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 tinh ở đường ống dầu ra khỏi bơm.
+ Bộ lọc lá, sợi thủy tinh.
Bộ lọc lá, sợi thủy tinh dùng những lá thép mỏng để lọc dầu. Đây là loại dùng rộng
rãi nhất trong hệ thống dầu thủy lực trên các máy công cụ.
Kết cấu của nó bao gồm các lá thép hình tròn và những lá thép hình sao. Những lá
thép này được lắp đồng tâm trên trục, tấm nọ trên tấm kia. Giữa các cặp lắp chèn mảnh
thép trên trục có tiết diện vuông.
Chất lượng lọc dầu phụ thuộc vào bề dày của lá thép. Bề dày này thông thường là:
0,08; 0,12; 0,20; và 0,3mm. 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 của bộ lọc loại này lên tới 4 bar. Lưu lượng lọc có thể từ 8
100 (lít/ phút).
Bộ lọc lá chủ yếu cũng 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.
Hiện nay phần lớn người ta thay vật liệu 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 không thay đổi
nhiều trong quá trình làm việc do ảnh hưởng về cơ và hoá của dầu.
49. 49
a) b)
Hình 2.22. Các loại màng lọc
a) Màng lọc lưới; b) Màng lọc bằng sợi thủy tinh
c) Tính toán bộ lọc dầu
Để tính toán lưu lượng chảy qua bộ lọc dầu, người ta dùng công thức tính lưu lượng
chảy qua lưới lọc:
Q =
p
A
.
(lít/phút) (2.32)
Trong đó: A - Diện tích toàn bộ bề mặt lọc, (cm2
)
p = p1 - p2 là hiệu áp của bộ lọc, (bar)
- Độ nhớt động lực của dầu, (P)
- Hệ số lọc, đặc trưng cho lượng dầu chảy qua bộ lọc trên đơn vị diện tích
và thời gian.Tùy thuộc vào đặc điểm của bộ lọc, ta có thể lấy trị số như sau:
= 0,006 0,009 )
.
( 2
phut
cm
lit
.
d) Cách lắp bộ lọc trong hệ thống
Tùy theo yêu cầu chất lượng của dầu trong hệ thống điều khiển thủy lực, mà có thể
lắp bộ lọc dầu theo các vị trí khác nhau như sau (hình 2.23):
Hình 2.23. Cách lắp bộ lọc dầu trong hệ thống thủy lực
a) Bộ lọc lắp ở đường hút; b) Bộ lọc lắp ở đường nén; c) Bộ lọc lắp ở đường xả
50. 50
2.2.3. Bình trích chứa (tích áp)
a) Nhiệm vụ
Bình trích chứa (tích áp) 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 tích áp được sử dụng rộng rãi trong các loại máy rèn, máy ép, trong các cơ cấu
tay máy và đường dây tự động v.v... nhằm làm giảm công suất của bơm, tăng độ tin cậy
và hiệu suất sử dụng của toàn hệ thống thủy lực.
b) Phân loại
Theo nguyên lý tạo ra tải, bình trích chứa thủy lực (tích áp) được chia thành ba loại:
Bình trích chứa trọng vật, bình trích chứa lò xo và bình trích chứa thủy khí (hình 2.24);
Hình 2.24. 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
* Bình tích áp trọng vật
Bình tích áp trọng vật tạo ra một áp suất lý thuyết hoàn toàn cố định, nếu bỏ qua lực
ma sát phát sinh ở chỗ tiếp xúc giữa cơ cấu làm kín và píttông và không tính đến lực
quán tính của píttông chuyển dịch khi thể tích bình tích áp thay đổi trong quá trình làm
việc. Bình tích áp loại này yêu cầu phải bố trí trọng vật thật đối xứng so với píttông, 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 sự làm việc ổn định của bình tích áp. Bình
tích áp trọng vật là một cơ cấu đơn giản, nhưng cồng kềnh, vì vậy trong thực tế thường
được bố trí ở ngoài xưởng. Vì những lý do nêu trên đã hạn chế sử dụng loại bình này.
* Bình tích áp lò xo
Quá trình năng lượng ở bình tích áp lò xo là quá trình biến dạng của lò xo. Bình tích
áp lò xo có quán tính nhỏ hơn so với bình tích áp trọng vật, vì vậy nó được sử dụng để
51. 51
làm tắt những va đập thủy lực trong các hệ thống thủy lực và giữ áp suất cố định trong
các cơ cấu kẹp.
* Bình tích áp thủy khí
Bình tích áp thủy khí lợi dụng tính chất nén được của không khí, để tạo ra áp suất
chất lỏng. Tính chất này làm cho bình tích áp có khả năng giảm chấn. Trong bình chứa
trọng vật áp suất hầu như cố định không phụ thuộc vào vị trí của píttông. Trong bình
tích áp lò xo, áp suất thay đổi tỷ lệ tuyến tính, còn trong bình tích áp thủy khí, áp suất
chất lỏng thay đổi theo những định luật thay đổi áp suất của chất khí.
Theo kết cấu bình tích áp thủy khí được chia thành hai loại chính:
- Loại không có ngăn.
- Loại có ngăn.
Hình 2.25. Cấu tạo bình tích áp thủy khí loại có ngăn
+ Loại không có ngăn
Những bình tích áp loại không có ngăn ít gặp trong thực tế. Sở dĩ chúng không
được ứng dụng rộng rãi vì có một nhược điểm rất cơ bản là không khí tiếp xúc trực tiếp
với chất lỏng. Trong quá trình làm việc không khí sẽ xâm nhập vào chất lỏng và gây ra
sự làm việc không ổn định cho toàn hệ thống. Muốn khắc phục nhược điểm này, bình
tích áp phải có kết cấu hình trụ nhỏ và dài để giảm bớt diện tích tiếp xúc giữa không khí
và chất lỏng.
+ Loại có ngăn
Bình tích áp thủy khí loại có ngăn phân cách hai môi trường được sử dụng rộng rãi
trong những hệ thống thủy lực di động. Tùy thuộc vào kết cấu của màng ngăn phân
cách, bình tích áp loại này được phân ra nhiều kiểu: Kiểu píttông, kiểu màng v.v...
Bình tích áp loại này không yêu cầu những thiết bị đặc biệt để theo dõi mức chất
lỏng làm việc như ở loại không có ngăn.
1. Ống cho khí vào
2. Thân bình chứa
3. Màng ngăn
4. Đế van
5. Ống cho dầu vào
52. 52
Cấu tạo của bình tích áp có ngăn bằng màng (hình 2.25) như sau: Ở khoang trên của
bình tích áp thủy khí, được nạp không khí với áp suất nạp vào pn, khi không có chất
lỏng làm việc trong bình tích chứa. Nếu ta gọi pmin là áp suất nhỏ nhất của chất lỏng làm
việc của bình tích áp, thì pn pmin, áp suất pmax của chất lỏng đạt được khi thể tích chất
lỏng trong bình có được ứng với giá trị cho phép lớn nhất của áp suất không khí trong
khoang trên.
Khi sử dụng, trong bình tích áp thường là khí nitơ hoặc không khí, còn chất lỏng
làm việc là dầu. Trong bình tích áp thủy khí có ngăn thì 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 tích áp được làm kín kiểu này có thể làm việc ở áp suất chất
lỏng đến 100 (kG/cm2
).
Bình tích áp thủy khí có ngăn là màng đàn hồi, đảm bảo độ kín tuyệt đối giữa hai
khoang khí và chất lỏng làm việc. Vì ở hai loại bình tích áp này không có chi tiết dịch
chuyển như ở bình kiểu píttông nên xuất hiện lực quán tính.
Bình tích áp kiểu này không yêu cầu nạp khí ngay cả khi thời gian làm việc bị gián
đoạn dài. Đối với bình tích áp thủy khí có ngăn chia đàn hồi, nên sử dụng khí nitơ, vì
không khí sẽ làm màng cao su mau hỏng.
Nguyên tắc hoạt động của bình tích áp thủy khí có màng ngăn đàn hồi trong quá
trình nạp và quá trình xả (hình 2.26).
a) b)
Hình 2.26. Quá trình làm việc của bình trích chứa thủy lực loại có ngăn
a) Quá trình nạp b) Quá trình xả
* Ví dụ ứng dụng bình trích chứa thủy lực: Giữ áp suất kẹp chi tiết trong quá trình
gia công (hình 2.27).
Trong quá trình gia công, chi tiết luôn được kẹp chặt bởi áp suất của dầu thủy lực.
Trong trường hợp có sự cố của hệ thống thủy lực (ví dụ như bơm mất điện) thì dưới áp
suất của dầu trong bình tích chứa chi tiết vẫn nằm ở vị trí cũ.
53. 53
Hình 2.27. Bình tích áp thủy lực lắp trong mạch điều khiển
1. Bơm dầu; 2. Bộ lọc; 3. Van tràn; 4. Van đảo chiều; 5. Van đảo chiều;
6. Bình trích chứa; 7. Van một chiều
2.2.4. Ống dẫn, ống nối
Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van) với các cơ cấu chấp hành, với hệ
thống biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu), người ta dùng các ống dẫn, ống nối
hoặc các tấm nối.
2.2.4.1. Ống dẫn
a) Yêu cầu
Ống dẫn dùng trong hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực phổ biến là ống
dẫn cứng (ống đồng và ống thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim
loại có thể làm việc ở nhiệt độ 135o
C).
Ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất. Để
giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến
dạng của tiết diện và sự đổi hướng chuyển động của dầu.
b) Ký hiệu
Ký hiệu ống dẫn trên các sơ đồ mạch thủy lực (hình 2.28) như sau:
- Các đường ống hút
54. 54
- Các đường ống nén
- Các đường ống xả
Hình 2.28. Các đường ống hút, nén và xả trong
hệ thống thủy lực
2.2.4.2. Các loại ống nối
a) Yêu cầu
Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu tương đối cao về độ bền và độ kín. Tùy
theo điều kiện sử dụng ống nối có thể cố định (không tháo được) và tháo được.
b) Các loại ống nối
Để nối các ống dẫn
với nhau hoặc nối ống
dẫn với các phần tử của
thủy lực, ta dùng ống nối
vặn ren và ống nối siết
chặt bằng đai ốc được
minh họa (hình 2.29a,b).
Khi đường ống làm việc
trong điều kiện nhiệt độ
cao, có thể dùng mối nối
ống siết chặt bằng đai ốc
có kết cấu như hình
2.29b. Khi siết chặt đai
ốc nối, dưới tác dụng
mặt côn ống nối, mối nối
được làm kín.
Sử dụng ống nối để
nối các ống dẫn với nhau
hoặc nối ống dẫn với các
phần tử thủy lực có ưu
a) b)
Hình 2.29. Các loại ống nối
a) Ống nối vặn ren; b) Ống nối siết chặt bằng đai ốc
55. 55
điểm là do các đầu ren được tiêu chuẩn hóa nên dễ dàng nối liền chúng với nhau. Nhưng
cũng có những nhược điểm là nếu dùng nhiều ống dẫn và ống nối sẽ làm tăng tổn thất
áp suất, tăng khả năng bị rò rỉ dầu, chiếm nhiều khoảng không gian. Vì thế trong hệ
thống truyền động và điều khiển thủy lực hiện đại, người ta sử dụng rộng rãi kiểu nối
liền bằng tấm nối, tức là lắp ráp một số phần tử thành các cụm điều khiển, gọi là block.
c) Cách lắp ống nối mềm
Khi lắp đường ống mềm với các bộ nối ống, cần đảm bảo độ uốn cong của ống
mềm sau mối nối để tiết diện của ống mềm không bị biến dạng (hình 2.30).
a
b
Hình 2.30. Cách lắp ống nối mềm
a) Lắp đúng; b) Lắp không đúng
2.2.5. Vòng chắn
a) Nhiệm vụ
Chắn dầu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc bình thường của
các phần tử thủy lực. Chắn dầu không tốt, sẽ bị rò dầu ở các mối nối, bị hao phí dầu,
không đảm bảo được áp suất cao, không khí dễ thâm nhập vào hệ thống, dẫn đến hệ
thống hoạt động không ổn định.
b) Phân loại
Để ngăn chặn rò dầu, người ta dùng các loại vòng chắn có kết cấu khác nhau với
những vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ dầu.
Tùy thuộc vào bề mặt cần chắn khít, người ta phân thành hai loại:
- Loại chắn khít phần tử cố định.
- Loại chắn khít phần tử chuyển động.
c) Loại chắn khít phần tử cố định (hình 2.31)
Chắn khít những phần tử cố định tương đối đơn giản, dùng các vòng chắn bằng chất
dẻo hoặc bằng kim loại mềm như đồng, nhôm. Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn
có tính đàn hồi, thường sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn, như cao
su nền vải, vòng kim loại, cao su lưu hóa cùng lõi kim loại.
56. 56
a b c
Hình 2.31. Vòng chắn cố định
a) Vòng chắn dạng O (có tiết diện tròn); b) Vòng chắn dạng O (có tiết diện tròn và vòng làm kín);
c) Vòng chắn dạng O (có tiết diện tròn) lắp mặt đầu.
d) Loại chắn khít phần tử chuyển động tương đối với nhau (hình 2.32)
Dùng rộng rãi nhất để chắn khít những phần tử chuyển động, người ta dùng vòng
chắn có tiết diện chữ O, tiết diện X, tiết diện V và tiết diện hình phễu.
Vật liệu được chế tạo là cao su chịu dầu. Để chắn dầu giữa 2 bề mặt có chuyển động
tương đối, ví dụ như giữa píttông và xi lanh, cần phải tạo rãnh đặt vòng chắn có kích
thước phụ thuộc vào đường kính của tiết diện vòng chắn.
Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, tương tự như loại chắn khít
những phần tử cố định, thường sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn
như vòng kim loại (hình 2.32a) và (hình 2.32d).
Để chắn khít những chi tiết có chuyển động thẳng, như cần píttông, cần tay côn
trượt điều khiển với nam châm điện... thường dùng vòng chắn có tiết diện chữ V với vật
liệu bằng da hoặc bằng cao su (hình 2.32b).
Trong trường hợp áp suất làm việc của dầu lớn, bề dày cũng như số vòng chắn cần
thiết càng lớn (hình 2.32c).
a b
c d
Hình 2.32. Vòng chắn khít phần tử chuyển động tương đối với nhau
57. 57
Chương 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC
VÀ ĐIỆN THỦY LỰC
3.1. Khái niệm
Hệ thống điều khiển thủy lực được mô tả qua sơ đồ (hình 3.1), gồm các cụm và
phần tử chính, có chức năng sau:
- Cơ cấu tạo năng lượng: Bơm dầu, bộ lọc dầu, bình tích áp.
- Phần tử nhận tín hiệu: Các loại nút ấn, nút nhấn.
- Phần tử xử lý tín hiệu: Van áp suất, van chặn, van tác động khóa lẫn...
- Phần tử điều khiển, điều chỉnh: Van đảo chiều, van tiết lưu, bộ ổn tốc...
- Cơ cấu chấp hành: Xi lanh, động cơ thủy lực.
Năng lượng để điều khiển có thể bằng cơ, bằng thủy lực, bằng khí nén hoặc
bằng điện.
Hình 3.1. Hệ thống điều khiển thủy lực
3.2. Các phần tử của hệ thống điều khiển thủy lực và điện - thủy lực
3.2.1. Van áp suất
3.2.1.1. Nhiệm vụ
Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng giảm trị số áp suất
trong hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực.
3.2.1.2. Phân loại
Van áp suất gồm các loại sau:
Phần tử
nhận tín
hiệu
Phần tử
xử lý
Năng lượng điều khiển
Cơ cấu
chấp hành
Phần tử điều
khiển
Cơ cấu tạo
năng lượng
Dòng năng
lượng tác
động lên quy
trình
58. 58
- Van tràn và van an toàn;
- Van giảm áp;
- Van cản;
- Van đóng, mở cho bình tích áp thủy lực.
3.2.1.3. Van tràn và an toàn
Dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực vượt quá trị số
quy định. Van tràn làm việc thường xuyên, còn van an toàn làm việc khi hệ thống
quá tải.
Ký hiệu của van tràn và van an toàn (hình 3.2):
Phân loại: Theo cấu tạo gồm các loại:
+ Kiểu van bi (trụ, cầu);
+ Kiểu con trượt (píttông);
+ Van điều chỉnh hai cấp áp suất
(phối hợp)
a) Kiểu van bi
- Cấu tạo van tràn kiểu van bi cầu (hình
3.3a), bi trụ (hình 3.3b)
a) b)
Hình 3.3. Cấu tạo van tràn kiểu van bi
- Nguyên lý làm việc:
Khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên vượt quá mức quy định, nó sẽ thắng lực lò xo,
van mở cửa và đưa dầu về thùng chứa. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều
chỉnh độ cứng của lò xo ở phía trên.
Ta có phương trình:
)
.( 0
1 x
x
C
A
p
(3.1)
Hình 3.2. Ký hiệu van tràn
và van an toàn
59. 59
Trong đó: p1 - Áp suất làm việc của hệ thống;
A - Diện tích tác động của bi;
x0 - Biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu;
x - Biến dạng của lò xo khi có dầu tràn (khi van mở);
C - Độ cứng của lò xo.
Kiểu van bi có kết cấu đơn giản, nhưng có nhược điểm là không dùng được ở áp
suất cao, làm việc ồn ào. Khi lỗ hỏng, dầu lập tức chảy về thùng làm cho áp suất trong
hệ thống giảm đột ngột.
b) Kiểu con trượt
- Cấu tạo được trình bày ở hình 3.4.
Hình 3.4. Kết cấu kiểu van con trượt
- Nguyên lý làm việc:
Dầu đưanvào cửa (1), qua lỗ giảm chấn rồi vào buồng (3). Nếu như lực do áp suất
của dầu tạo nên là F lớn hơn lực của lò xo Flx và trọng lượng của píttông thì píttông sẽ
dịch chuyển lên trên mở cửa (2) và dầu sẽ chảy qua cửa (2) để trở về thùng chứa. Lỗ (4)
dùng để tháo dầu rò từ buồng trên ra ngoài.
Ta có: lx
F
A
p
1 (bỏ qua ma sát và trọng lượng của píttông)
Với 0
.x
C
Flx
Khi áp suất p1 tăng làm cho lực tác dụng lên mặt đáy của píttông F tăng theo. Khi
xảy ra điều kiện: F > Flx làm cho píttông sẽ dịch chuyển lên một khoảng là x, khi đó dầu
sẽ chảy qua cửa (2) nhiều, kết quả làm cho p1 giảm để ổn định. Vì tiết diện A không đổi,
nên áp suất cần điều chỉnh chỉ phụ thuộc vào lực Flx của lò xo.
60. 60
Loại van này có độ giảm chấn cao hơn van bi, nên nó làm việc êm hơn. Nhược
điểm của nó là trong trường hợp lưu lượng lớn, với áp suất cao, lỗ phải có kích thước
lớn, do đó làm tăng kích thước chung của van.
c) Van điều chỉnh hai cấp áp suất
Trong van này có hai lò xo: Lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu với vít điều chỉnh,
ta có thể điều chỉnh được áp suất cần thiết nhờ thay đổi độ cứng của lò xo. Lò xo 2 tác
dụng lên con trượt (bi trụ), là loại lò xo yếu chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ.
Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác. Lỗ tiết lưu có đường kính từ 0,8 - 1 mm.
Hình 3.5. Kết cấu của van điều chỉnh hai cấp áp suất
- Nguyên lý làm việc:
Dầu vào van qua cửa (1) có áp suất p1, phía dưới và phía trên con trượt van đều có
áp suất. Khi áp suất của dầu chưa thắng được lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía dưới và
áp suất p2 ở phía trên bằng nhau, do đó con trượt đứng yên.
Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua van bi chảy về thùng chứa. Khi
dầu chảy do sức cản của lỗ tiết lưu, nên p1 > p2, tức là có một hiệu áp được hình thành
giữa phía dưới và phía trên con trượt là 0
2
1
p
p
p (lúc này cửa 3 vẫn đóng).
Khi đó: 0
2
1
1
2 .
. x
C
p
A và 3
1
0
3
2 .
. A
p
x
C (3.2)
Chỉ khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2, lúc này cả hai van đều hoạt động.
Van này làm việc rất êm, không có chấn động. Áp suất có thể điều chỉnh trong
phạm vi rất rộng là 5 - 63 bar hoặc có thể cao hơn.
61. 61
Ví dụ: Lắp van tràn điều khiển trực tiếp kết hợp với bộ lọc đặt ở đường xả trong hệ
thống điều khiển thủy lực (hình 3.6).
Hình 3.6. Mạch thủy lực lắp van tràn điều khiển trực tiếp
3.2.1.4. Van giảm áp
Van giảm áp được sử dụng khi cần cung cấp chất lỏng từ nguồn (bơm) cho một số
cơ cấu chấp hành có những yêu cầu khác nhau về áp suất. Trong trường hợp này, người
ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấu
chấp hành để giảm áp suất đến một trị số cần thiết.
Ký hiệu van giảm áp:
Cấu tạo của van giảm áp:
Hình 3.7. Kết cấu của van giảm áp
62. 62
Ví dụ: Mạch thủy lực có lắp van giảm áp như hình 3.8:
Hình 3.8. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
Trên sơ đồ (hình 3.8), xi lanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp
suất p1>p2 cung cấp cho xi lanh 2. Giá trị của p2 có thể điều chỉnh nhờ vít trên van giảm
áp. Ta có lực cân bằng của van giảm áp như sau:
lx
F
A
p
2 ( x
C
Flx .
)
A
x
C
p
.
2 (3.3)
Do A = const, nên khi x thay đổi dẫn đến p2 thay đổi.
3.2.1.5. Van cản
Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống để cho hệ thống luôn luôn
có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, giúp cho thiết bị làm việc êm và giảm va đập.
Ký hiệu:
Trên hình 3.9, van cản lắp vào cửa ra của xi lanh có áp suất p2. Nếu lực lò xo của
van là Flx và tiết diện của píttông trong van là A, thì phương trình cân bằng lực tĩnh
sẽ là:
0
2
lx
F
A
p
A
F
p lx
2 (3.4)
63. 63
Như vậy, áp suất ở cửa ra có thể điều chỉnh được tùy vào sự điều chỉnh lực của lò
xo Flx.
Hình 3.9. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van cản
3.2.2. Van đảo chiều
3.2.2.1. Nhiệm vụ
Van đảo chiều dùng đóng, mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng
lượng hoặc dùng để đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành.
3.2.2.2. Các khái niệm
- Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều thường là 2, 3 và
4. Trong những trường hợp đặc biệt số cửa có thể nhiều hơn.
- Số vị trí: là số định vị con trượt của van. Thông thường van đảo chiều có 2 hoặc 3
vị trí. Trong những trường hợp đặc biệt số vị trí có thể nhiều hơn. Mỗi vị trí của van
được biểu diễn bằng một hình vuông, các mũi tên và đường kẻ bên trong hình vuông
biểu diễn mối quan hệ giữa các cửa.
Ký hiệu của van đảo chiều trên sơ đồ thủy lực gồm một số hình vuông xếp thành
hàng. Các cửa của van được ký hiệu bằng các ký tự: P, T, A, B và L.
P – Cửa áp suất; A, B – Các cửa làm việc; T – Cửa dầu hồi; L – Cửa xả dầu thừa.
3.2.2.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của một số loại điển hình
a) Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2) (hình 3.10)
Van có hai cửa là A, P còn cửa L để xả dầu thừa.
Thông qua nút bấm điều khiển trực tiếp con trượt sẽ tạo nên hai vị trí làm việc của
van (vị trí bên trái thì cửa P và cửa A đều bị chặn còn sang vị trí bên phải thì cửa P nối
thông với cửa A), con trượt trở lại vị trí ban đầu nhờ lực đẩy của lò xo.
64. 64
Hình 3.10. Van đảo chiều 2/2
b) Van đảo chiều 3 cửa; 2 vị trí (3/2) (hình 3.11)
Van có ba cửa là A, P, T. Cửa P nối với bơm, cửa A thường nối với phần tử điều
khiển hoặc cơ cấu chấp hành còn cửa T nối với thùng chứa dầu để xả dầu hồi.
Thông qua nút bấm điều khiển trực tiếp con trượt để tạo nên hai vị trí làm việc của
van (vị trí bên trái thì cửa P bị chặn còn cửa A nối thông với cửa T, còn sang vị trí bên
phải thì cửa P nối thông với cửa A còn cửa T bị chặn), con trượt trở lại vị trí ban đầu
nhờ lực đẩy của lò xo.
Hình 3.11. Van đảo chiều 3/2
c) Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2) (hình 3.12)
Van có bốn cửa là A, B, P, T. Cửa P nối với bơm, cửa A, B thường nối với phần tử
điều khiển hoặc cơ cấu chấp hành còn cửa T nối với thùng chứa dầu để xả dầu hồi.
Thông qua nút bấm điều khiển trực tiếp con trượt để tạo nên hai vị trí làm việc của
van (vị trí bên trái thì cửa P nối thông với cửa B và cửa A nối thông với cửa T, còn sang
vị trí bên phải thì cửa P nối thông với cửa A và của B nối thông với cửa T), con trượt trở
lại vị trí ban đầu nhờ lực đẩy của lò xo.
65. 65
Hình 3.12. Van đảo chiều 4/2
d) Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí (4/3)
- Loại có vị trí trung gian cửa P nối với T (hình 3.13). Khi van làm việc ở vị trí
trung gian thì chất lỏng từ bơm cung cấp cho van đi qua cửa T để về thùng chứa. Loại
van này được sử dụng khi cần điều khiển cơ cấu truyền lực cố định tại một vị trí xác
định lúc dừng lại.
Hình 3.13. Van đảo chiều 4/3, vị trí trung gian hai cửa P và T thông nhau
- Loại có vị trí trung gian cửa P bị chặn (hình 3.14). Khi van làm việc ở vị trí trung
gian thì chất lỏng từ bơm cung cấp cho van đi qua van tràn (hoặc van an toàn) để về
thùng chứa. Loại van này được sử dụng khi cần điều khiển cơ cấu truyền lực cố định tại
một vị trí xác định lúc dừng lại.
Hình 3.14. Van đảo chiều 4/3, vị trí trung gian các cửa bị chặn
