Bài giảng Công nghệ khí nén và thủy lực ứng dụng - Trần Thị Trà My & Ngô Thị Kim Uyển

về lực (F); hành trình dịch chuyển piston(S); Tốc độ dịch chuyển piston (v). - Đối với chuyển động quay đảm bảo tiêu chuẩn về mô men xoắn(Mx); tốc độ của rotor (n) Ngoài ra còn đảm bảo yêu cầu làm việc êm dịu(tốc độ đều và ít tiếng ồn). 2.1.3 Phân loại Đối với hệ thống truyền động bằng khí n n thông thường phân loại theo phương pháp điều khiển. Bao gồm các phương pháp sau - Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp - Điều khiển theo thời gian - Điều khiển theo hành trình - Điều khiển theo tầng - Điều khiển theo nhịp 2.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN 2.2.1 Sơ đồ cấu tạo 2.2.1.1 Nguyên lý truyền động 2.2.1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền động Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển và các phần tử 2.2.1.3 Biểu đồ trạng thái - Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. - Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay, ...), trục tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường n t mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên. - Xilanh đi ra ký hiệu dấu ( + ), lùi về ký hiệu (-). - Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí "0" và vị trí "1" (hoặc "a", "b'). - Một số ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái: 2.2.2 Nguyên lý hoạt động 2.2.2.1 Điều khiển bằng tay - Điều khiển trực tiếp - Điều khiển gián tiếp Biểu đồ trạng thái 2.2.2.2 Điều khiển theo thời gian Biểu đồ trạng thái - Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động Biểu đồ trạng thái 2.2.2.3 Điều khiển theo hành trình Biểu đồ trạng thái 2.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY NÉN KHÍ 2.3.1 Máy nén khí loại rô to Có 2 loại máy nén khí kiểu roto thường được sử dụng: + Máy nén khí kiểu cánh quay + Máy nén khí kiểu trục vít 2.3.1.1 Máy nén khí kiểu cánh gạt Máy nén cánh gạt là một máy thủy tĩnh có tỷ số nén xác định theo cấu trúc. Nhờ bố trí rô to lệch tâm mà thể tích giới hạn bởi cánh gạt và stator được nén lại khi quay rô to. Kết cấu nhỏ gọn và chuyển động liên tục của rô to cho phép tần số quay cực đại đạt đến 3000vM/ph. a. Cấu tạo Hình 2.1. Cấu tạo máy nén kiểu cánh gạt một cấp 1- Thân máy; 2- Nắp máy; 3- Mặt bích đầu trục; 4- Rô to; 5- Cánh gạt Trên hình 2.1 giới thiệu cấu tạo máy nén khí cánh quay 1cấp, bao gồm: thân máy 1; nắp máy 2; mặt bích đầu trục 3; stator 4; rô to 5 và cánh quay 6. Khi rô to quay, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh quay văng ra theo các rãnh trên rô to tựa đầu mút ngoài vào stator. Quá trình hút và nén được thực hiện theo sự thay đổi thể tích giới hạn giữa các cánh quay và mặt tựa stator. b. Nguyên lý hoạt động Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt 1 cấp (hình 2.3) bao gồm: thân máy (1), mặt bích thân máy, mặt bích trục, rôto (2) lắp trên trục. Trục và rôto (2) lắp lệch tâm e so với bánh dẫn chuyển động. Khi rôto (2) quay tròn, dưới tác dụng của lực ly tâm các cánh gạt (3) chuyển động tự do trong các rãnh ở trên rôto (2) và đầu các cánh gạt (3) tựa vào bánh dẫn chuyển động. Thể tích giới hạn giữa các cánh gạt sẽ bị thay đổi. Như vậy quá trình hút và nén được thực hiện. Để làm mát khí nén, trên thân máy có các rãnh để dẫn nước vào làm mát. Bánh dẫn được bôi trơn và quay tròn trên thân máy để giảm bớt sự hao mòn khi đầu các cánh tựa vào. 1 3 2 Hình 2.2. Cấu tạo máy nén khí kiểu cánh gạt. 2.3.1.2 Máy nén khí kiểu trục vít Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích khoảng trống giữa các răng sẽ thay đổi khi trục vít quay. Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích khoảng trống tăng lên), quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại) và cuối cùng là quá trình đẩy. Máy nén khí kiểu trục vít gồm có 2 trục: trục chính và trục phụ. Số răng (số đầu mối) của trục xác định thể tích làm việc (hút, nén). Số răng càng lớn, thể tích hút nén của một vòng quay sẽ giảm. Số răng (số đầu mối) của trục chính và trục phụ không bằng nhau sẽ cho hiệu suất tốt hơn. Huùt Ñaåy Hình 2.3. Nguyên lý họat động máy nén khí kiểu trục vít ❖ Ưu điểm : khí nén không bị xung, sạch; tuổi thọ vít cao (15.000 đến 40.000 giờ); nhỏ gọn, chạy êm. ❖ Khuyết điểm : Giá thành cao, tỷ số nén bị hạn chế. Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu bôi trơn. 2.3.2 Tuốc bin khí Bánh tuốc bin Tuốc bin tăng áp tuốc bin Hình 2.5. Tuốc bin nén khí lắp trên động cơ ôtô Là loại động cơ nhiệt, dạng rotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí. Động cơ gồm 3 bộ phận chính là khối máy nén khí (tiếng Anh: compressor) dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối tuốc bin khí rotor. Khối máy nén và khối tuốc bin có trục được nối với nhau để tuốc bin làm quay máy nén. Khí nén đưa vào buồng đốt, trộn với khí nhiên liệu và đốt, không khí nén nhận được nhiệt từ khí đốt và giãn nở -> không khí giãn nở sẽ làm quay các turbine. 2.3.3 Nhận dạng cấu tạo và hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén 2.3.3.1 Nhận dạng cấu tạo của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén ❖ Các chi tiết bộ phận chính trong hệ thống truyền động bằng khí nén 2.3.3.2 Nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống truyền động bằng khí nén a. Điều khiển bằng tay - Điều khiển trực tiếp - Điều khiển gián tiếp Biểu đồ trạng thái b. Điều khiển theo thời gian Biểu đồ trạng thái Điều khiển theo thời gian có chu kỳ tự động - Biểu đồ trạng thái c. Điều khiển theo hành trình Biểu đồ trạng thái CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM VÀ CÁC QUY LUẬT VỀ TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 3.1 KHÁI NIỆM, YÊU CẦU VÀ CÁC THÔNG SỐ CỦA THỦY LỰC 3.1.1 Khái niệm, yêu cầu 3.1.1.1 Khái niệm a. Hệ thống điều khiển Hình 3.1. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực Hệ thống điều khiển bằng 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 (...) - Phần tử nhận tín hiệu: các loại nút ấn (...) - Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa (...) - Phần tử điều khiển: van đảo chiều (...) - Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ dầu. b. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều bằng thủy lực Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực được thể hiện ở sơ đồ hình 3.2 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực c. Ưu điểm của truyền động bằng thuỷ lực - Truyền động được công suất cao và lực lớn, (nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi ít về 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 có sẵn). - Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau - 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 sợ bị va đập mạnh (như trong cơ khí và điện). - Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. - Dễ đề phòng quá tải 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 hoá. d. Nhược điểm của truyền động bằng thuỷ lực - Mất mát 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. 3.1.1.2 Những yêu cầu chung với hệ thống truyền động thuỷ lực - Kết cấu đơn giản; - Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý đến vị trí của liên hợp cơ học; - Chuyển đổi đơn giản chuyển động quay thành chuyển động dao động và ngược lại; - Đảo chiều đơn giản; - Thay đổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng - Có khả năng tự động hoá chuyển động dễ dàng. Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc là độ nhớt, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định tính chất hoá học và 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 lữa, nhiệt độ đông đặc. Chất lỏng 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 ít phụ thuộc vào nhiệt độ; - Có tính trung hoà (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 dầu bé nhất, cũng như tổn thất ma sát ít nhất; - Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan trong nước và không khí, dẫn nhiệt tốt, có môđun đàn hồi, hệ số nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ. Trong những yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mãn được đầy đủ nhất. 3.1.2 Các thông số của chất lỏng 3.1.2.1 Trọng lượng riêng, khối lượng riêng a) Trọng lượng riêng :       = 3 , m N V G  Trong đó: G : trọng lượng của chất lỏng V : thể tích của chất lỏng Khối lượng riêng :       = 3 , m kg V m  hay       = 4 2 , m Ns g   với g=9,81m/s2 3.1.2.2 Độ nhớt của chất lỏng. Trong quá trình chuyển động, các lớp chất lỏng trượt lên nhau, phát sinh ra lực ma sát trong, gây ra tổn thất năng lượng và chất lỏng như thế gọi là chất lỏng có tính nhớt. Tính nhớt là tính chống lại lại sự chuyển dịch bản thân chất lỏng hay tính chất biểu diễn nội lực ma sát của nó. Tính nhớt là nguyên nhân gây ra tổn thất năng lượng khi chất lỏng chuyển động. Năm 1687 Newton dựa trên thí nghiệm: có hai tấm phẳng I – chuyển động với vận tốc v nhờ lực kéo F có diện tích S và tấm phẳng II - đứng yên (hình vẽ). Giữa hai tấm đó có một lớp chất lỏng h. Ông đã đưa ra giả thiết về lực ma sát trong giữa những lớp chất lỏng lân cận chuyển động là tỷ lệ thuận với tốc độ và diện tích bề mặt tiếp xúc, phụ thuộc vào loại chất lỏng và không phụ thuộc áp suất. Sau đó Petrop (1836 – 1920) đã biểu thị giả thuyết đó trong trường hợp chuyển động thẳng bằng biểu thức toán học: dv F S dy = (1-9) Trong đó: F - lực ma sát trong; µ - hệ số nhớt động lực, đặc trưng của chất lỏng; S - diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng; dv/dy – gradient vận tốc theo phương y vuông góc với dòng chảy. Nội lực ma sát thường gọi là lực nhớt, được biểu diễn bằng định luật Newton. 2( / ) F dv N m S dy  = = Lưu ý: Công thức này chỉ đúng cho chất lỏng chảy tầng Trong đó:  - Lực nhớt trên một đơn vị diện tích hay ứng suất tiếp của nội lực ma sát  - Hệ số nội lực ma sát hay hệ số nhớt động lực của chất lỏng (Ns/m2 hoặc kg/ms) Một hệ số nhớt động lực học còn có hệ số nhớt động học  (m2/s), liên hệ với  bằng công thức:    = Tính chất của hệ số nhớt Chất lỏng: khi nhiệt độ tăng hệ số nhớt giảm Hệ số nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ Chất khí: khi nhiệt độ tăng hệ số nhớt tăng Chất lỏng: khi áp suất tăng hệ số nhớt tăng Hệ số nhớt phụ thuộc vào áp suất Chất khí: hệ số nhớt không thay đổi khi áp suất thay đổi 3.1.2.3 Tính nén của chất lỏng. Tính nén là khả năng thay đổi thể tích của chất lỏng khi áp suất tác dụng lên nó thay đổi. Nó được đặc trưng bởi hệ số nén p (m 2/N) là lượng thay đổi thể tích tương đối của chất lỏng khi áp suất thay đổi một đơn vị. 0 1 p V V P   = −  Trong đó: V0 : thể tích ban đầu của chất lỏng ứng với áp suất p0 V = V-V0 : lượng thay đổi thể tích chất lỏng p = p-p0 : lượng thay đổi áp suất p : áp suất tương ứng với thể tích V Dấu “ – “ nói lên rằng sự thay đổi thể tích và áp suất luôn luôn ngược nhau. Đại lượng nghịch đảo của hệ số nén p gọi là modun đàn hồi E (N/m 2) của chất lỏng 1 p E  = Vì sự thay đổi thể tích theo áp suất của chất lỏng (nước) rất bé nên trong thực tế có thể xem chất lỏng không nén được, tức là khối lượng riêng hầu như không phụ thuộc vào áp suất. 3.1.2.4 Tính giãn nở của chất lỏng. Tính giãn nở là khả năng thay đổi thể tích của chất lỏng khi nhiệt độ thay đổi. Nó được đặc trưng bởi hệ số giãn nở t là sự thay đổi tương đối của thể tích khi nhiệt độ thay đổi 1 độ. 0 1 t V V t   =  Trong đó : V0 : Thể tích ban đầu của chất lỏng ứng với nhiệt độ t0 V = V-V0 : Lượng thay đổi thể tích chất lỏng t = t-t0 : Lượng thay đổi nhiệt độ t : Nhiệt độ tương ứng với thể tích V Vì sự thay đổi thể tích theo nhiệt độ của chất lỏng rất bé nên trong thực tế có thể xem chất lỏng không co giãn dưới tác dụng của nhiệt, tức là khối lượng riêng hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ. 3.2 CÁC QUY LUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG THỦY LỰC 3.2.1 Truyền động thuỷ tĩnh 3.2.1.1 Khái quát về truyền động thuỷ tĩnh Truyền động thuỷ tĩnh làm việc theo nguyên lý choán chỗ. Trong trường hợp đơn giản nhất, hệ thống gồm một bơm được truyền động cơ học cung cấp một lưu lượng chất lỏng để làm chuyển động một xy lanh hay một động cơ thuỷ lực. Áp suất tạo bởi tải trọng trên động cơ hay xi lanh lực cùng với lưu lượng đưa đến từ bơm tạo thành công suất cơ học truyền đến các máy công tác. Đặc tính của truyền lực thuỷ tĩnh có tính chất: tần số quay cũng như vận tốc của máy công tác trong thực tế không phụ thuộc vào tải trọng. Do có khả năng tách bơm và động cơ theo không gian và sử dụng các đường ống rất linh động nên không cần một không gian lắp đặt xác định giữa động cơ và máy công tác. Trên hệ thống truyền động thuỷ tĩnh có thể thay đổi tỷ số truyền vô cấp trong một khoảng rộng. Chất lỏng thuỷ lực hiện nay có thể được sử dụng là dầu từ dầu mỏ, chất lỏng khó cháy, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc nước. 3.2.1.2 Cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ tĩnh a. Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng lý tưởng. Đây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi được nạp vào thùng chỉ truyền áp lực vuông góc với thành và đáy thùng (hình 3.3). Độ lớn của áp suất phụ thuộc vào cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ điểm đo đến mặt thoáng của chất lỏng: 0p p h= + Với chất lỏng lý tưởng, không xuất hiện lực tiếp tuyến cũng như các ứng suất tiếp tại thành thùng và giữa các lớp chất lỏng. Hình 3.3. Phân bố áp suất trong Hình 3.4. Lực tác động lên thùng chứa chất lỏng lý tưởng piston của một xy lanh thuỷ lực Khi tính toán các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác động ngoài. Áp suất tạo ra từ lực ngoài (hình 3.4) được xác định theo biểu thức: A F p = Áp suất này có thể được tạo ra từ chuyển động gián đoạn của thiết bị. Ví dụ như piston trong xy lanh hoặc chuyển động liên tục như trong bơm bánh răng, bơm cánh quay, 3.2.2 Truyền động thuỷ động 3.2.2.1 Khái quát về truyền động thuỷ động Cở sở lý thuyết của cơ học chất lỏng cũng như thuỷ động lực học được xuất phát từ chất lỏng lý tưởng. Trong đó các nhà khoa học đã xây dựng được các công thức tính toán quan trọng. Đầu thế kỷ 20 Prandt lần đầu tiên đã tổng hợp thuần tuý lý thuyết về thuỷ động lực học với kỹ thuật thuỷ lực được các Kỹ Sư ứng dụng trong sản xuất bằng cách bổ sung thêm lực ma sát sinh ra do tính nhớt của chất lỏng thuỷ lực. Cơ sở để tính toán các thiết bị thuỷ lực là các phương trình liên tục, phương trình Bernoulli cho chất lỏng thuỷ lực. Các phương pháp tính toán sức cản dòng chảy, có nghĩa là các phương pháp tính toán hao tổn áp suất trong các ống dẫn có ý nghĩa quan trọng trong thực tế. 3.2.2.2 Cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ động a) Phương trình liên tục Hình 3.5: Dòng chảy qua ống thu hẹp Đây là một dạng của định luật bảo toàn khối lượng. Đối với chất lỏng có khối lượng riêng không đổi định luật này đúng cho cả trường hợp chảy không dừng 221121 AvAvQQ == ❖ Phương trình Becnulli Phương trình Becnulli xuất phát từ giả thiết rằng năng lượng của một chất lỏng chảy dừng không ma sát trên mọi điểm của mặt cắt ngang tại mọi thời điểm là không đổi. Phương trình này thõa mãn trong trường hợp riêng của dòng chảy một chiều, và cũng biểu diễn trường hợp đặc biệt của phương trình vi phân Navier-Stocker xây dựng cho trường hợp tổng quát cho dòng chảy 3 chiều. Mặc dù vậy cũng có thể ứng dụng đủ chính xác làm cơ sở tính toán trong lính vực thủy lực dầu. Năng lượng tại một điểm xác định trên đường dòng của một dòng chất lỏng lý tưởng bao gồm động năng dòng chảy, áp năng của chất lỏng và thế năng: Hình 3.5: Dòng chảy qua 2 mặt cắt khác nhau Phương trình Becnulli viết cho trường hợp này là: 2 2 2 21 2 1 1 22 gZ v pgZ v p     ++=++  g vp Z g vp Z 22 2 22 2 2 11 1 ++=++  Hoặc tổng quát: const g vp Z =++ 2 2  3.3 NHẬN DẠNG CÁC THIẾT BỊ THỦLỰC 3.3.1 Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu 3.3.1.1 Bơm dầu và động cơ dầu a. Tác dụng: 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. − Bơm thủy lực: 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. Những thông số cơ bản của bơm là lưu lượng và áp suất. − Đông cơ thủy lực: 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 được đưa vào buồng công tác của động cơ. Dưới tác dụng của áp suất, các phần tử của động cơ quay. Những 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. b. Phân loại bơm − 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 piston hướng tâm; + Bơm piston hướng trục (truyền bằng đĩa nghiêng); + Bơm piston hướng trục (truyền bằng khớp cầu); + Bơm cánh gạt đơn. c. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ❖ Bơm bánh răng Hình 3.7. Bơm bánh răng a. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài; b. Bơm bánh răng ăn khớp trong;c. Ký hiệu 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 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 – 200 bar (phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo). 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. Nguyên lí làm việc: Hình 3.8. 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. ❖ Bơm trục vít (Hình 3.9) Hình 3.9. 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. Bơm trục vít thường được sản xuất thành 3 loại: + Loại áp suất thấp: p = 10 - 15bar + Loại áp suất trung bình: p = 30 - 60bar + Loại áp suất cao: p = 60 - 200bar. 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. ❖ Bơm cánh gạt 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. 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 2 loại chính: bơm cánh gạt đơn và bơm cánh gạt kép. + Bơm cánh gạt đơn: 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 3.10. Hình 3.10. 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 bằng lưu lượng thủy lực + Bơm cánh gạt kép: khi trục quay một vòng, nó thực hiện hai chu kỳ làm việc bao gồm hai lần hút và hai lần nén, hình 3.11. Hình 3.11. Bơm cánh gạt kép ❖ Bơm pittông 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 truốt, máy xúc, máy nén,....Dựa trên cách bố trí pittông, bơm có thể phân thành 2 loại: bơm pittông hướng tâm., bơm pittông hướng trục. Bơm pittông có thể chế tạo với lưu lượng cố định, hoặc lưu lượng điều chỉnh được. + Bơm pittông hướng tâm: Pittông bố trí trong các lỗ hướng tâm rôto, quay xung quanh trục. Nhờ các rãnh và các lỗ bố trí thích hợp trên trục phân phối, có thể nối lần lượt các xilanh trong một nữa vòng quay của rôto với khoang hút nữa kia với khoang đẩy. Sau một vòng quay của rôto, mỗi pittông thực hiện một khoảng chạy kép có độ lớn bằng 2 lần độ lệch tâm e. Hình 3.12. Bơm pitton hướng tâm + 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 và tải trọng và số vòng quay,(hình 3.13). Hình 3.13. Bơm pitton hướng trục 1- Piston; 2- Xy lanh; 3- Đĩa dẫn dầu; 4 – Độ nghiêng; 5 – Piston; 6- Trục truyền; 7 – Khớp cầu 3.3.1.2 Xy lanh truyền động (cơ cấu chấp hành) a. Nhiệm vụ Xy lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi thế năng của dầu thành cơ năng, thực hiện chuyển động tịnh tiến. b. Phân loại Xy lanh thủy lực được chia làm hai loại: xy lanh lực và xy lanh quay (hay còn gọi là xy lanh mômen). Trong xy lanh lực, chuyển động tương đối giữa pittông với xy lanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xy lanh quay, chuyển động tương đối giữa pittông với xy lanh 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 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, xy lanh truyền động còn được phân theo: ❖ Theo cấu tạo − Xy lanh đơn − Xy lanh kép − Xy lanh vi sai ❖ Theo kiểu lắp ráp − Lắp chặt thân − Lắp chặt mặt bích − Lắp xoay được − Lắp gá ở 1 đầu xy lanh d. Một số xy lanh thông dụng ❖ Xy lanh tác dụng đơn Chất lỏng làm việc chỉ tác động một phía của piston và tạo nên chuyển động một chiều. Chiều chuyển động ngược lại được thực hiện nhờ lực lò xo. a) b) Hình 3.14. Xilanh tác dụng đơn và ký hiệu a- Xy lanh tác dụng đơn không có lò xo; b- Xy lanh tác dụng đơn có lò xo ❖ Xy lanh tác dụng kép Chất lỏng làm việc tác động vào hai phía của pittông và tạo nên chuyển động hai chiều. a) b) c) d) Hình 3.15. Xy lanh tác dụng kép và kí hiệu a, b- Xy lanh tác dụng kép không có giảm chấn cuối hành trình; c,d- Xy lanh tác dụng kép có giảm chấn cuối hành trình. 3.3.1.3 Bể dầu Hình 3.16. Các chi tiết của bể chứa dầu 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 3.16 là sơ đồ bố trí các cụm thiết bị cần thiết của bể cấp dầu cho hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 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 lộc (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 rữa 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. 3.3.1.4 Bộ lọc dầu 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 p 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: 3.3.1.5 Đo áp suất và lưu lượng a. Đo lưu lượng - Đo lưu lượng bằng bánh hình ôvan và bánh răng Hình 3.17. Bộ đo lưu lượng dầu bằng hình ô van 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 - Đo lưu lựơng 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 3.18. Bộ đo lưu lượng dầu bằng tuabin và cánh gạt 3.3.2 Các phần tử của hệ thống điều khiển thuỷ lực 3.3.2.1 Van áp suất Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm trị số áp trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. Van áp suất gồm có các loại sau: + Van tràn và van an toàn + Van giảm áp + Van cản Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực. 3.3.2.2 Van tràn và an toàn Van tràn và van 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 quá tải. Ký hiệu của van tràn và van an toàn: Có nhiều loại: + Kiểu van bi (trụ, cầu) + Kiểu con trượt (pittông) + Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp) a. Kiểu van bi Hình 3.19. kết cấu của van bi Giải thích: khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên vượt quá mức điều chỉnh, nó sẽ thắng lực lò xo, van mở cửa và đưa dầu về bể. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều chỉnh ở phía trên. Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nhưng có nhược điểm: không dùng được ở áp suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong hệ thống giảm đột ngột. b. Kiểu van con trượt Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3. Nếu như lực do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng lượng G của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4 dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài. Hình 3.20. kết cấu kiểu van con trượt Ta có: p1A = Flx (bỏ qua ma sát và trọng lượng của pittông) Flx = Cx0 Khi p1 tăng → F = p1A > Flx → pittông đi lên với dịch chuyển x → p1A = C (x+x0) Nghĩa là: p1  → pittông đi lên một đoạn x → dầu ra cửa 2 nhiều → p1  để ổn định. Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc vào Flx của lò xo. Loại van này có độ giảm chấn cao hơn loai van bi, nên nó làm việc êm hơn. Nhược điểm của nó là trong trường hợp lưu lượng lớn với áp suất cao, lò xo phải có kích thước lớn, do đó làm tăng kích thước chung của van. 3.3.2.3 Van giảm áp Hình 3.21. Van giảm áp Hình 3.22. sơ đồ mạch thủy lực có van giảm áp Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp năng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau. Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết. Trong hệ thống này, xilanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh 2. Áp suất ra p2 có thể điều chỉnh được nhờ van giảm áp. Ký hiệu: 3.3.2.4 Van đảo chiều a. Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở các ống d n để khởi động các cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành. b. Các khái niệm + Số cửa: là số lỗ để d n dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều thường 2, 3 và 4, 5. 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. c. Nguyên lý làm việc Ký hiệu: P - cửa nối bơm; T - cửa nối ống xả về thùng dầu; A, B - cửa nối với cơ cấu điều khiển hay cơ cấu chấp hành; L - cửa nối ống dầu thừa về thùng. ❖ Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2) Hình 3.22. Van đảo chiều 2/2 ❖ Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2) Hình 3.23. Van đảo chiều 3/2 ❖ Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2) Hình 3.24. Van đảo chiều 4/2 d. Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều được biểu diễn hai phía, bên trái và bên phải của ký hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc của nòng van đảo chiều. − Loại tín hiệu tác động bằng tay Hình 3.25. Các tín hiệu tác động bằng tay − Loại tín hiệu tác động bằng cơ Hình 3.26. Các tín hiệu tác động bằng cơ e. Van chặn Van chặn gồm các loại van sau: − Van một chiều. − Van một chiều điều điều khiển được hướng chặn. − Van tác động khoá lẫn. ❖ Van một chiều Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một hướng, và ở hướng kia dầu bị ngăn lại. Trong hệ thống thủy lực, thường đặt ở nhiều vị trí khác nhau tùy thuộc vào những mục đích khác nhau. Ký hiệu: Van 1 chiều gồm có: van bi, van kiểu con trượt. Ứng dụng của van 1chiều: − Đặt ở đường ra của bơm (để chặn dầu chảy về bể). − Đặt ở cửa hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm). − Khi sử dụng hai bơm dầu dùng chung cho một hệ thống. Hình 3.27. Van bi một chiều ❖ Van một chiều điều khiển được hướng chặn Nguyên lý hoạt động Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều. Nhưng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoài tác động vào cửa X. Hình 3.28. Van bi một chiều điều khiển được hướng chặn a- chiều A qua B như van một chiều; b- chiều B qua A có dòng chảy, khi có tín hiệu X; c. ký hiệu Hình 3.29. Van tác động khóa lẫn a- Dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 ( như van một chiều); b- Từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1; c- Ký hiệu Kết cấu của van tác động khoá l n, thực ra là lắp hai van một chiều điều khiển được hướng chặn. Khi dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 theo nguyên lý của van một chiều. Nhưng khi dầu chảy từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1 hoặc khi dầu chảy từ B1 về A1 thì phải có tín hiệu điều khiển A2. CHƯƠNG 4: CẤU TẠO HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 4.1 NHIỆM VỤ, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI 4.1.1 Nhiệm vụ Biến đổi năng lượng của dầu thủy lực ở dạng thế năng (áp suất và lưu lượng Q) thành cơ năng ở dạng mô men quay hay chuyển động tịnh tiến. 4.1.2 Yêu cầu Tất cả các bộ phận trong hệ thống thủy lực đều có những yêu cầu kỹ thuật nhất định. − Các thông số kỹ thuật cơ bản trong hệ thống đều phải được thõa mãn yêu cầu làm việc như: + Chuyển động thẳng: tải trọng F, vận tốc (v, v'), hành trình x,...; + Chuyển động quay: momen xoắn MX, vận tốc (n,); − Các cơ cấu chấp hành, cơ cấu biến đổi năng lượng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, cũng như các phần lớn các thiết bị phụ khác trong hệ thống thủy lực đều được tiêu chuẩn hóa. − Đảm bảo độ bền, độ tin cậy, giá thành thấp. 4.1.3 Phân loại − Mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến − Mạch thủy lực chuyển động quay 4.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 4.2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển thủy lực chuyển động quay 4.2.1.1 Sơ đồ hệ thống Hệ thủy lực thực hiện chuyển động quay cũng được phân tích như hệ thống thủy lực chuyển động thẳng. Mômen xoắn tác động lên trục động cơ dầu bao gồm: + Mômen do quán tính Ma = J. [Nm] (J - mômen quán tính khối lượng trên phụ tải[Nms2]; +  - gia tốc góc của trục quay phụ tải [rad/s2].) + Mômen do ma sát của các phần tử chuyển động của phụ tải MD [Nm]. + Mômen do tải trọng ngoài ML [Nm]. + Mômen xoắn tổng cộng Mx sẽ là: Mx = Ma+ MD + ML [Nm] Hình 4.1. Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực chuyển động quay Q1,Q2 – Lưu lượng đầu vào và đầu ra của động cơ thủy lực 4.2.1.2 Nguyên lý hoạt động Khi van đảo chiều ở trạng thái a, dầu từ bơm vào cữa bên trái của động cơ thủy lực đồng thời cữa bên phải thông với đường tháo. Do đó động cơ sẽ tạo ra mô men quay. Khi van đảo chiều ở trạng thái b, sẽ đóng kín cả hai đường dầu đến hai cữa, động cơ thủy lực sẽ đứng yên ở vị trí trung gian. Lúc này dầu từ bơm sẽ đi qua van tràn về lại thùng chứa. Khi van đảo chiều ở trạng thái c, dầu từ bơm vào cữa bên phải của động cơ thủy lực đồng thời cữa bên trái thông với đường tháo. Do đó động cơ sẽ tạo ra mô men quay theo chiều ngược lại. 4.2.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển thuỷ lực chuyển động tịnh tiến 4.2.2.1 Sơ đồ hệ thống Trong đó: p - Áp suất của dầu thủy lực Q - lưu lượng của dầu thủy lực đi qua ống Ft - ngoại lực tác động lên cần đẩy x – hành trình dịch chuyển của piston D, d – đường kính của piston và cần đẩy Hình 4.2. Sơ đồ mạch thủy lực chuyển động tịnh tiến 4.2.2.2 Nguyên lý hoạt động Khi van đảo chiều ở trạng thái a, dầu từ bơm vào khoang trái của xy lanh lực đồng thời khoang phải của xy lanh thông với đường tháo. Do đó piston-cần đẩy tịnh tiến theo chiều từ trái qua phải. Khi van đảo chiều ở trạng thái b, sẽ đóng kín cả hai đường dầu đến hai khoang của xy lanh lực nên piston-cần đẩy đứng yên ở vị trí trung gian. Lúc này dầu từ bơm sẽ đi qua van tràn về lại thùng chứa. Khi van đảo chiều ở trạng thái c, dầu từ bơm vào khoang phải của xy lanh lực đồng thời khoang trái của xy lanh thông với đường tháo. Do đó piston-cần đẩy tịnh tiến theo chiều từ phải qua trái. 4.2.3 Sơ đồ cấu tạo một số mạch điều khiển thông dụng 4.2.3.1 Máy dập thủy lực điều khiển bằng tay Hình 4.3. Máy dập điều khiển bằng tay 0.1- Bơm; 0.2- Van tràn; 0.3 - áp kế; 1.0- Xy lanh; 1.1- Van một chiều; 1.2- Van đảo chiều 3/2, điều khiển bằng tay gạt; Khi có tín hiệu tác động bằng tay, xy lanh A mang đầu dập đi xuống. Khi thả tay ra, xilanh lùi về. 4.2.3.2 Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công Khi tác động bằng tay, pittông mang hàm kẹp di động đi ra, kẹp chặt chi tiết. Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, pittông lùi về, hàm kẹp mở ra. Để cho xilanh chuyển động đi tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết lưu một chiều. Trên sơ đồ, van tiết lưu một chiều đặt ở trên đường ra và van tiết lưu đặt ở đường vào. Hình 4.4. Cơ cấu kẹp chi tiết gia công 1. Xy lanh; 2. Chi tiết; 3. Hàm kẹp Khi tác động bằng tay, piston mang hàm kẹp di động đi ra, kẹp chặt chi tiết. Khi gia công xong, gạt bằng tay cần điều khiển van đảo chiều, piston lùi về, hàm kẹp mở ra. Để cho xy lanh chuyển động đi tới kẹp chi tiết với vận tốc chậm, không va đập với chi tiết, ta sử dụng van tiết lưu một chiều. Trên sơ đồ, van tiết lưu một chiều đặt ở trên đường ra và van tiết lưu đặt ở đường vào (hãy so sánh hai cách này). Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1 - Bơm; 0.2- Van tràn; 0.3- Áp kế; 1.1- Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt;1.2- Van tiết lưu một chiều; 1.0- Xy lanh. 4.2.3.3 Máy khoan bàn Hình 4.6. Máy khoan bàn Hệ thống thủy lực điều khiển hai xy lanh. Xy lanh A mang đầu khoan đi xuống với vận tốc đều được điều chỉnh trong quá trình khoan, xilanh B làm nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết trong quá trình khoan. Khi khoan xong, xy lanh A mang đầu khoan lùi về, sau đó xy lanh B lùi về mở hàm kẹp, chi tiết được tháo ra. Hình 4.7. Sơ đồ mạch thủy lực cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công 0.1- Bơm; 0.2- Van tràn;1.1- Van đảo chiều 4/2, điều khiển bằng tay gạt;1.2- Van giảm áp; 1.0- Xy lanh A; 1.3- Van một chiều;2.1- Van đảo chiều 4/3, điều khiển bằng tay gạt; 2.2- Bộ ổn tốc; 2.3- Van một chiều; 2.4- Van cản; 2.5- Van một chiều;2.6- Van tiết lưu; 2.0- Xy lanh B. 4.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY THỦY LỰC Máy thủy lực là từ dùng để chỉ các máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với chất lỏng theo các nguyên lý thủy lực học nói riêng và cơ học chất lỏng nói chung, ví dụ: loại dùng cơ năng của động cơ để vận chuyển chất lỏng (BƠM); tuabin nước nhận năng lượng của dòng nước để biến thành cơ năng của các máy làm việc (ĐỘNG CƠ THỦY LỰC)... Theo nguyên lý tác dụng của máy thủy lực với dòng chất lỏng trong quá trình làm việc, người ta chia Máy thủy lực thành nhiều loại khác nhau, nhưng chủ yếu có 2 loại chính: Máy thủy lực cánh dẫn và Máy thủy lực thể tích. 4.3.1 Máy thủy lực cánh dẫn 4.3.1.1 Phân loại - Dựa vào cột áp thì ta có: bơm cột áp thấp (<20 mH20), bơm trung áp (20-60 mH20), bơm cao áp (>60mH20). - Phân loại theo số bánh công tác lắp nối tiếp trong bơm: + Bơm 1 cấp: cột áp bị hạn chế bởi số vòng quay và sức bền của cánh dẫn. (cột áp thường <100 mH20) + Bơm nhiều cấp (Multistage pump): để nâng cao cột áp của bơm, thường 2-8 cấp, đặc biệt lên tới 12 cấp (trong khai thác dầu khí có thể tới hàng trăm cấp) Thực chất của bơm nhiều cấp chính là ghép các bơm 1 cấp nối tiếp nhau. Cột áp của bơm nhiều cấp bằng tổng cột áp các BCT có trong bơm, lưu lượng của bơm là lưu lượng của 1 bct Trong bơm nhiều cấp có: loại có bánh công tác nằm cùng phía, loại có bánh công tác nằm đối xứng Bơm nhiều cấp được sử dụng ở những nơi có yêu cầu cột áp cao: - Trong sinh hoạt: phục vụ ở các chung cư cao tầng ... - Trong công nghiệp: phục vụ ở các dàn khoan dầu khí, khai thác khoáng sản ... 4.3.1.2 Cấu tạo b. Bơm 1 miệng hút BCT bố trí ở 1 đầu của trục, hút chất lỏng từ một phía (bơm côngxôn ..) Bơm công xôn được dùng rộng rãi trong đời sống ... Hình 4.8: Bơm một miệng hút b. Bơm 2 miệng hút Để mở rộng lưu lượng của bơm. Loại này đc xem như 2 BCT của bơm 1 miệng hút có cùng kích thước ghép lại với nhau nên lưu lượng bơm sẽ tăng gấp đôi trong khi cột áp v n giữ nguyên. Ngoài ra, với cách hút chất lỏng từ 2 phía đối xứng nên không gây ra lực hướng trục trong bơm, bơm có điều kiện bố trí giữa 2 gối đỡ trục, làm tăng độ cứng vững cho bơm. Hình 4.9: Bơm hai miệng hút 4.3.1.3 Nguyên lý hoạt động Sau đây là hoạt động của bơm ly tâm một loại bơm được dùng phổ biến hiện nay: ình 4.10: Cấu tạo bơm ly tâm 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. 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 d n vào buồng có tiết diện lớn dần dạng xoắn ốc nên gọi là buồng bơm. 4.3.2 Truyền động thủy lực dạng thể tích 4.3.2.1 Phân loại Khác với truyền động thuỷ động, truyền động thể tích dựa vào tính không nén (khó nén) của dòng chất lỏng (dầu cao áp) để truyền áp năng, do đó có thể truyền được xa mà ít tổn thất năng lượng. Truyền động thể tích có 3 yếu tố: 1: Bơm cung cấp dầu áp suất lớn 2: Động cơ thuỷ lực kiểu thể tích 3: Bộ phận biến đổi và điều chỉnh (thiết bị điều khiển, đường ống, các thiết bị phụ) Trong đó 1 và 2 là cơ cấu biến đổi năng lượng. Dựa vào đặc điểm cấu tạo của máy bơm dạng thể tích, người ta phân chúng thành các loại: − Piston dọc trục. − Piston hướng tâm. − Dạng bánh răng. − Dạng cách gạt quay. − Dạng trục xoắn ốc. 4.3.2.2 Cấu tạo Trên hình 4.11 là sơ đồ thuỷ lực với bơm điều khiển 3, van trượt phân phối 2 điều khiển bằng tay có thể đảo chiều chuyển động của xi lanh 1. ở vị trí trung gian của van phân phối 2, tất cả các đường đều nối với bể, lúc này bơm làm việc ở chế độ không tải và xi lanh ở trạng thái tự do. Bộ lọc 4 lắp ở cửa hút của bơm 3, van an toàn 6 bảo vệ cho hệ thống không bị quá tải. Hình 4.11: Sơ đồ thuỷ lực điều khiển bằng thể tích 1- Xylanh; 2- Van phân phối, 3 – Bơm; 4 – Bình lọc; 5 – Thùng dầu; 6- Van an toàn 4.3.3. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý thể tích được sử dụng để chế ra bơm, quạt, máy nén. Máy tạo ra một dung tích kín thay đổi từ nhỏ đến lớn và ngược lại. Ở vùng dung tích tăng từ giá trị 0 đến max, áp suất giảm máy thực hiện hút lưu chất, ở vùng dung tích giảm từ giá trị max đến 0 thì máy thực hiện nén lưu chất qua cửa đẩy. Cứ mỗi lần hút và nén như vậy máy sẽ vận chuyển 1 lương lưu thể nhất định. Máy thể tích thực hiện trao đổi năng lượng theo nguyên lý nén chất lỏng trong thể tích kín dưới áp suất thuỷ tĩnh.năng lượng chủ yếu là thành phần áp suất p, còn thành phần động năng không đáng kể nên còn gọi là máy thuỷ tĩnh. Đặc điểm của chúng là cho một áp suất làm việc cao với lưu lượng nhỏ phù hợp với truyền động của các máy móc thiết bị. Khi máy làm việc với chất lỏng không nén được v=const, cần tránh việc tăng hay giảm thể tích quá nhanh để không gây ra hư hỏng máy hoặc cháy động cơ do quá tải. 4.3.3 Tuốc bin thủy lực Turbine thủy lực là loại động cơ chạy bằng sức nước, nó nhận năng lượng dòng nước để quay và kéo rô to máy phát điện quay theo để tạo ra dòng điện. Tổ hợp turbine thủy lực và máy phát điện gọi là "Tổ máy phát điện thủy lực". Ở phần này chúng ta chỉ nghiên cứu về turbine thủy lực, thiết bị điều tốc và giới thiệu một số hệ thống thiết bị thủy lực có liên quan. Hình 4.12. Tuốc bin thủy lực Trục Turbine có hai đầu, đầu dưới có bích nối với vành trên của bánh xe công tác còn đầu trên cũng có bích nối với Rotor của máy phát điện. Stator của máy phát điện được tì lên khối bê tông lớn của nhà máy. Toàn bộ phần quay của tổ máy phát điện thuỷ lực bao gồm bánh xe công tác, trục và Rotor của máy phát điện có một hệ thống ổ trục gồm: Ổ trục hướng và ổ trục chặn không cho chuyển vị theo phương thẳng đứng. Tải trọng đè lên ổ trục chặn (ở tổ máy trục đứng) gồm có trọng lượng phần quay của tổ máy và áp lực nước dọc trục tác dụng lên bánh xe công tác. Ổ trục chặn thường bố trí trên nắp Turbine còn ở các tổ máy nằm ngang tải trọng đó chỉ do áp lực nước. ❖ Phân loại các loại Tuốc bin Ta xét phân loại Tuốc bin theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công tác. Năng lượng dòng chảy truyền qua bánh xe công tác Tuốc bin bằng độ chênh lêch giữa hai thiết diện ở trên thượng lưu và hạ lưu. Các turbin hiện đại được chia thành hai dạng chính: turbin đẩy (impulse) và Tuốc bin phản kích (reaction) Trong Tuốc bin đẩy, chỉ có động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe công tác còn thế năng bằng không. Hệ Tuốc bin này chỉ phát ra công suất nhờ động năng của dòng chảy, còn áp suất cửa ra và cửa vào của Tuốc bin bằng áp suất khí trời. Turbine phản kích làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng, mà chủ yếu là thế năng của dòng chảy. Trong Tuốc bin này áp suất tại cửa lớn và cửa ra, trong bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả về thế năng và động năng. Trong đó vận tốc dòng chảy chảy qua Turbine tăng dần còn áp suất thì giảm dần. Máng dẫn của cánh hình cô nên gây ra độ chênh áp giữa mặt cánh từ đó tạo ra mô men quay. Tuốc bin phản kích dùng cho trạm có mức nước thấp còn Tuốc bin đẩy dùng cho trạm mức nước cao và lưu lượng nhỏ. Hình 4.13. Các dạng tuốc bin thủy lực phổ biến Tuốc bin xung lực: a) Pelton, b) Turgo, c) Cross – flow. Tuốc bin phản lực: d) Francis ống mở (Open Plume Francis), e) Francis khung xoắn (Spiral – Case Francis). a. Tuốc bin đẩy Tuốc bin xung lực thông thường sử dụng trực tiếp vận tốc của dòng chảy để kéo runner và xả ra thành áp suất không khí. Dòng chảy chạm vào mỗi lưỡi quay của runner. Không có suction ở phía dưới turbin, và dòng nước sẽ chảy ra khỏi phía dưới của turbin sau khi chạm runner. Tuốc bin đẩy rất thích hợp với các mô hình ứng dụng cột nước cao-dòng chảy thấp (high head – low flow). Có 2 loại turbin đẩy phổ biến là Pelton và Cross-flow Pelton: một guồng quay pelton có một hoặc nhiều ống dẫn xả nước vào aearted space rồi chạm vào lưỡi quay cánh runner. Ống giảm lưu thường không cần lắp cho dạng turbin impulse vì runner cần được đặt trên mức tối đa của mực nước tailwater để cho ph p turbin vận hành ở điều kiện áp suất khí quyển. Cross-flow: Cross-flow tuốc bin cho phép nước chảy qua lưỡi quay hai lần. Lần thứ nhất là lúc nước chảy từ ngoài vào lưỡi quạt và lần thứ hai là khi nước chảy từ lưỡi quạt thoát ra ngoài. Một van dẫn đặt ở đầu vào turbin sẽ chuyển dòng chảy đến một phần giới hạn của runner. Cross flow turbin được thiết kế để thích ứng với dòng chảy lưu lượng lớn và áp suất thấp hơn so với turbin dạng elton. b. Tuốc bin phản kích Turbin phản lực tận dụng sự kết hợp của áp lực lẫn dòng chảy. Runner được đặt trực tiếp vào dòng chảy trên các cánh quạt thay vì để dòng nước chạm mỗi cánh quạt. Tuốc bin phản lực thường được sử dụng ở những địa điểm có mực nước thấp và lưu lượng cao hơn so với turbin xung lực. Có ba loại tuốc bin phản lực phổ biến: Chân vịt (propeller), Francis và Động lực (kinetic). Turbin chân vịt thông thường có runner gồm ba đến sáu cánh quạt va chạm trực tiếp cùng lúc với dòng chảy. Francis turbin có chín (hoặc hơn) van bơm cố định. Nước được dẫn vào ngay phía trên và xung quay runner và quay nó. Tuốc bin động lực, hay còn gọi là tuốc bin dòng chảy tự do, sản xuất ra điện dựa vào động năng của dòng chảy thay vì thế năng của mức chênh lệch của nước. Hệ thống này có thể được vận hành ở các sông, các kênh rạch nhân tạo, nước triều hoặc các dòng chảy đại dương. Các hệ thống kinetic sử dụng dòng chảy tự nhiên của nguồn nước. Hệ thống này không đòi hỏi phải chuyển hướng dòng chảy thông qua các kênh đào nhân tạo, lòng sông hoặc ống dẫn, dù rằng nó có thể ứng dụng ở các điều kiện như vậy. Các hệ thống động lực không đòi hỏi các công trình xây dựng qui mô lớn. Cán quay của turbin điều khiển máy phát điện, hay nói cách khác, chuyển cơ năng thành điện năng. Có ba loại máy phát điện thường được sử dụng trong các nhà máy thủy điện. Đối với các nhà máy thủy điện công suất thấp, máy phát điện có thể ở dạng dòng cảm ứng (alternating-current induction), đối với các nhà máy thủy điện công suất cao, dạng máy phát điện đồng thời thường được sử dụng. Các hệ thống dẫn phát điện thông thường bao gồm các trạm biến thế (cao thế tại trạm phát - nguồn sản suất và hạ thế tại trạm thu - thị trường tiêu thụ điện). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Giáo trình Công nghệ khí nén thủy lực – Bùi Hải Triều (chủ biên) NXB GD [2] - Giáo trình điều khiển thủy lực –khí nén – Phạm Xuân Tùy – NXBKHKT [3] - Điều khiển khí nén – thủy lực – Lê Văn Tiến Dũng – Trường ĐH kỹ thuật TPHCM [4] – Hệ thống truyền động thủy khí – Trần Xuân Tùy – Trường đại học Đà Nẵng.