Cơ khí chế tạo máy - Chương 5: Bơm và động cơ thủy lực thể tích kiểu piston - Roto

11 Chương 5 BƠM VÀ ĐỘNG CƠ THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU PISTON-ROTO 2 §1. Khái niệm - Phân loại Nguyên lý làm vi
c: máy piston ghép (tác dụng 5, 6, 7.) Kt cu: • Roto: - khối xilanh hình trụ (roto) ch ñộng quay, trên khối XL có khoan các lỗ xilanh phân bố ñều, hướng kính hoặc hướng trục - Roto quay
các piston tịnh tiến trong lỗ XL nhờ vào: Độ lệch tâm e giữa roto và stato (máy piston roto hướng kính) hoặc Góc nghiêng γ của ñĩa nghiêng (máy piston roto hướng trục) • Chuyển ñộng làm việc: chuyn ñng tnh tin ca các piston trong l xilanh và chuyn ñng quay ca kh i xilanh (roto)
máy piston roto. 23 Đc ñim: • Áp suất cao (có thể ñạt 350 at); lưu lượng nhỏ • Có thể ñiều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vòng quay không ñổi • Hiệu suất cao (tổn thất cơ khí nhỏ, tổn thất do rò rỉ ít) • Có thể làm việc với svq lớn (ñến 20.000v/ph) vì không sử dụng van hút, van ñẩy. • CL ñi vào , ñi ra khỏi XL thông qua trục phân phối (máy hướng kính) hoặc ñĩa phân phối (máy hướng trục) • Phạm vi ñiều chỉnh rộng. 4 Phân lo i: • Máy piston roto hướng kính: các lỗ XL phân bố ñều trên khối XL theo phương hướng kính (thẳng góc với trục quay của khối xilanh) • Máy piston roto hướng trục: các lỗ XL phân bố ñều trên khối XL theo phương dọc trục ( song song với trục quay của khối xilanh) 35 1 2 3 5 I II III IV A B a P1 §2. Bơm piston rotor hướng kính 6 I. Cấu tạo và nguyên lý làm việc • Phần quay 1 (roto:khối xilanh) ñặt lệch tâm trong phần cố ñịnh 2 (stato: vỏ). • Trên khối XL có khoan các lỗ xi lanh phân bố ñều theo phương hướng kính. • Piston có dạng trụ, không có cần, có xu hướng ñi ra nhờ các lò xo ñặt trong lỗ XL
ñầu piston tì vào vành stato. • e : ñộ lệch tâm giữa vỏ (vành stato) và khối XL (roto) • Z : số lỗ XL trên 1 mặt cắt ngang của khối XL (Ví dụ Z=5) 1 2 3 5 I II III IV A B P1 a Z = 2pi : góc giữa 2 lỗ XL 47 Trục phân phối • Trục phân phối là lõi cố ñịnh của stato, • Khối XL quay lồng không trên trục phân phối. • Trên trục phân phối có 2 rãnh A, B hình bán nguyệt, thông với ống hút và ống ñẩy nhờ 2 lỗ a, b 8 • Ở nửa trên stato, piston ñi ra, áp suất trong lỗ XL giảm, CL ñược hút vào XL qua lổ a và bọng hút A: quá trình hút của bơm. I II III IV A B • Bọng hút A, bọng ñẩy B là 2 rãnh hình bán nguyệt phay trên trục phân phối 4 (cố ñịnh), cách nhau bởi 1 rãnh ngăn • Đường dẫn a, b ñược khoan dọc theo trục phân phối ñể dẫn CL vào và ra • Roto quay theo chiều ngược lại
B: bọng hút, A: bọng ñẩy. • Ở nửa dưới stato, piston bị vành stato ép
chuyển ñộng ñi vào, CL ñược nén vào bọng ñẩy B, ñi ra ngoài theo ñường dẫn b: quá trình ñẩy của bơm. 59 Động cơ piston roto hướng kính • CL áp suất cao ñược ñưa vào lỗ XL • Áp lực CL tác dụng lên bề mặt piston, thông qua piston tác dụng lên thành stato, tạo ra lực tiếp tuyến
tạo ra moment làm quay roto • Không cần lò xo ñặt trong lỗ XL vì CL áp suất lớn luôn ñẩy ñầu piston chuyển ñộng ñi ra theo phương hướng kính. 10 Đặc ñiểm • Áp suất làm việc có thể ñạt 250 at • CL vào và ra khỏi XL qua trục phân phối  không sử dụng van
bơm làm viêc với svq lớn (ñến 20.000 v/ph). • Điều chỉnh lưu lượng nhờ ñộ lệch tâm của roto. Các thông số cơ bản: Q, N, M, n, p p càng lớn
yêu cầu về ñộ chính xác chế tạo, ñộ bền, ñộ kín khít phải càng tốt. • n quá lớn sẽ hạn chế khả năng ñiền ñầy của CL trong lỗ XL trong quá trình làm việc. 611 II. Động học piston O1: tâm vành stato; O2: tâm khối roto; • t=0: piston ở vị trí A • Thời ñiểm t: piston ở vị trí C ϕ=ω.t: góc quay của roto; r = O1C: bán kính stato; R= O2C = f(t) Pis. tịnh tiến trong XL 1 ñoạn: x = O2A - O2C = (O2O1 +O1A ) - O2C x = e + r – R (1) C O1 A B e O2 ϕ r α R R= O2C=O2O1.cos ϕ +O1C.cos α⇒ R = e.cosϕ + r.cosα (2) 12 O1H = r.sin α = e.sin ϕ ⇒ ϕα sinsin ⋅= r e ϕϕα 22 2 2 sin1sin1cos r e −=−= 2 sin 2 11cos       −≅⇒ ϕα r e (3) (2)
ϕϕϕϕ 2 22 sin 2 1 cos.sin 2 11cos. r e re r e reR −+=               −+=       ⋅⋅−+⋅= ϕϕ 2sin 2 1 cos r e e r eR (4) ( )       ⋅⋅+−⋅= ϕϕ 2sin 2 1 cos1 r e ex(1)
(5) 713 Vận tốc chñộng tịnh tiến của piston trong XL ( )           +−⋅== ϕϕ 2sin 2 1 cos1 r e e dt d dt dx v       +⋅⋅= ϕϕω 2sin 2 1 sin r e ev ϕϕ sin2sin 2 1 ; << r e ⇒ v ≅ e.ω.sinϕ (6) ϕ = 90o ⇒ sin ϕ =1 ⇒ vmax = e.ω vtb: vận tốc trung bình khi pis. chuyển ñộng tịnh tiến vào tâm. ( ) pi ω ω pi ϕω pi ϕϕω pi pipi .211.1cos..1.sin..1 00 e eedevtb =−−−=−== ∫ Ψ = = = v v e e tb max . . , ω ω pi 2 1 57Hệ số dao ñộng vận tốc của 1 cặp piston – XL : 14 Vận tốc của ñầu piston trên vành stato • Piston quay theo khối XL và tì vào stato
ñiểm mút ñầu piston có vận tốc vòng (quay với ω=const và khoảng cách R thay ñổi)       −+⋅⋅== ϕϕωω 2sin 2 1 cos. r e e r eRvd (7) Gia tốc của piston + Gia tốc của chuyển ñộng tương ñối (chuyển ñộng tịnh tiến của piston trong xilanh) + Gia tốc của chuyển ñộng theo (chuyển ñộng quay của khối xilanh) + Gia tốc Coriolit 815 III. Lưu lượng 1. Lưu lượng trung bình • V: Thể tích làm việc của 1 lỗ XL • d: Đường kính lỗ XL • S = 2e: Hành trình của piston trong lỗ XL • Z : Số lỗ XL trên 1 mặt cắt ngang của khối roto • i : Số dãy lỗ XL dọc theo trục khối XL (thường i=1) • n : Số vòng quay của khối XL trong 1 phút Lưu lượng riêng: 2 2 4lt dq i Z epi= ⋅ ⋅ ⋅ 2 2 4 60lt d nQ e i Zpi= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅Lưu lượng lý thuyết trung bình: (8) 16 2 Lưu lượng tức thời Lưu lượng tức thời do 1 cặp piston - XL tại vị trí ϕ ϕωpiϕ sin4 . 2 ⋅⋅⋅== e d vFQ pis QϕΣ: tổng lưu lượng tức thời của các cặp piston - XL ñang thực hiện quá trình ñẩy m + 1 : số cặp piston XL ñang thực hiện quá trình ñẩy ϕ : góc của XL thứ 1 (ñang thực hiện quá trình ñẩy) ϕ + a : góc chỉ vị trí của XL thứ 2 ϕ + m.a : góc chỉ vị trí của XL thứ m+1 ( ) ( )[ ] ( ) ( )miaiedQ maae dQ ÷=+⋅⋅⋅= ++++⋅⋅⋅= ∑Σ Σ 0.sin 4 sin...sinsin 4 2 2 ϕωpi ϕϕϕωpi ϕ ϕ (9) 917 Lưu lượng tức thời cực ñại: tại ϕo
0=Σϕ ϕ d dQ ( ) ( )[ ] ( ) ( )mamaaa maae d d dQ ooooo ooo o sinsincoscos.....sinsincoscoscos 0cos...coscos 4 2 ⋅−⋅++⋅−⋅+⇒ =++++⋅⋅⋅= ϕϕϕϕϕ ϕϕϕωpi ϕ ϕ ϕ ( ) ( )maa maa tg o sin...sin cos...cos1 ++ +++ =⇒ ϕ Lưu lượng tức thời bé nhất: ứng với góc ϕ = 0 : ϕo : góc dao ñộng của bơm Hệ số lưu lượng không ñều: Ψ = Q Q tb max Hệ số dao ñộng lưu lượng: ( )δ = − = − + Q Q Q Q Q Q Qtb max min max min max min 2 18 Số lượng piston Z lớn, lẻ
hệ số dao ñộng lưu lượng δ nhỏ δ δ = − = − 1 cos 180 Z 1 cos 90 Z o o le chan (10) 10 19 3. Điều chỉnh lưu lượng bơm pis-roto hướng kính Q d e i Z nlt = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ pi 2 2 60 Đường kính piston d, số XL Z, số hàng XL i: không ñổi
chỉ có thể ñiều chỉnh lưu lượng bằng cách: • thay ñổi số vòng quay n của roto • thay ñổi ñộ lệch tâm e bằng cách xê dịch stato ñể roto dần dần vào giữa stato Lưu lượng lớn nhất của bơm ứng với emax Lưu lượng bé nhất khi roto và stato ñồng tâm: e = 0 ⇒ Q = 0 20 : hệ số ñiều chỉnh lưu lượngε = e emax ε = 1 ⇒ Q = Qmax ε = 0 ⇒ Q = 0 ε < 0 : (tiếp tục thay ñổi e theo phía ngược lại)
dòng CL vào bơm theo chiều ngược lại
buồng ñẩy trở thành buồng hút Có thể cho máy làm việc ñảo chiều mà không cần thay ñổi chiều quay của roto 11 21 C T N P A B e ϕ α IV. Lực và moment 1. Lực: • Xét 1 piston ở quá trình ñẩy, ñầu piston tì vào thành stato
thành stato tác dụng vào ñầu piston 1 lực hướng vào tâm stato O1: vành stato tác dụng lên piston phản lực N • Chia N thành 2 thành phần: P và T vuông góc với nhau • P = N. cos α : theo phương trục piston, cân bằng với áp lực của CL tác dụng lên mặt piston 22 T = N.sin α = P. tg α (12) Bơm: T sinh moment cản Động cơ thủy lực: T sinh moment ñộng (làm quay roto) 4 2dpFpP pi⋅=⋅= (11) C T N P A B e ϕ α 12 23 ϕ      − ϕ ⋅⋅ pi ⋅=α⋅= 2 2 2 sin r e1 sin r e 4 dptgPT N P p d e r = = −       cos sin α pi ϕ 2 2 2 4 1 (13) (14) Nhận xét: Các lực sinh ra trong quá trình làm việc của bơm sẽ dao ñộng theo t (hàm tuần hoàn theo ϕ) Đối với 1 piston: ϕ = 0 ⇒ sin ϕ = 0 ⇒ T = 0 ϕ = 90o ⇒ sin ϕ =1 ⇒ T = Tmax Do có ma sát giữa bề mặt piston và XL, giữa ñầu piston và thành stato
ñối với ñộng cơ: T = P.tg (α + Ψ) Ψ : góc ma sát ⇒ hệ số ma sát: f = tg Ψ 24 α α tgf ftgPT ⋅− + ⋅= 1 ( )N P P P tg = + = ⋅ − ⋅ = ⋅ − ⋅cos cos cos sin sin cos cos sin .cosα α α α αΨ Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ ( )αα sincoscos ⋅−⋅Ψ=⇒ f PN Trong thiết kế: αmax ≤ 6o ⇒ tgαmax= sinαmax= 0,1; cosαmax= 0,995
Tmax; Nmax (dùng ñể tính bền) ( ))1,0995,0cos 1,01 1,0 max max f PN f fPT −Ψ = − + ⋅= (15) 13 25 2. Moment • Máy là ñộng cơ: lực tiếp tuyến T sinh moment quay. • Moment quay tác dụng lên 1 piston: M = T.R (16) R: khoảng cách từ ñầu piston ñến tâm roto R e r e e r = + −      cos sinϕ ϕ 1 2 2 T P e r e r = ⋅ ⋅ −       sin sin ϕ ϕ1 2 2 M P e r e r e r e e r = ⋅ ⋅ −       ⋅ ⋅ + − ⋅ ⋅       sin sin cos sin ϕ ϕ ϕ ϕ 1 1 22 2 2 26 ϕ2sin⋅ r e Bỏ qua M P e r r e = ⋅ ⋅ ⋅ +       2 sin cosϕ ϕ (17) Moment quay tác dụng lên roto bằng tổng moment quay tạo nên bởi các lực Ti tác dụng lên các piston ở trong trạng thái ñẩy khi máy làm việc M T Ri i i m ∑ = = ⋅∑ 0 Moment quay phụ thuộc góc ϕ, tỉ lệ thuận với ñộ lệch tâm e. Đcơ piston roto hướng kính: ñiều chỉnh ñược moment quay bằng cách thay ñổi ñộ lệch tâm e; không cần thay ñổi áp suất dòng CL ñưa vào máy 14 27 V. Sự phân phối CL trong bơm - Trục phân phối • Roto quay theo chiều như hình vẽ, nửa trên trục phân phối chịu áp suất hút ph; nửa dưới chịu áp suất ñẩy pñ
tải trọng ngang tác dụng lên trục phân phối; • Dùng bi
n pháp cân bng thy lc ñể giảm bớt tải trọng tác dụng lên bề mặt trục phân phối
làm tăng tuổi thọ của máy. a) Làm rãnh trên trục phân phối: tiện hai rãnh vòng tạo sự thông chất lỏng; ở phần rãnh áp suất có giá trị như nhau trên toàn bộ chu vi rãnh b) Khoan lỗ trên trục phân phối: Khoan lỗ thông từ khu vực áp suất cao ñến khu vực áp suất thấp trên trục phân phối ta 28 Hiện tượng chất lỏng bị nén trong xilanh • Piston ở nửa trái của stato
áp suất ph • Piston ở nửa phải của stato
piston làm việc với pñ • Khi kích thước vách ngăn lớn hơn ñường kính lỗ vào của XL
piston bắt ñầu quá trình nén nhưng lỗ XL vẫn chưa ñược nối với khoang ñẩy B,
CL bị nén trong XL
áp suất rất lớn tác dụng lên trục phân phối. • Biện pháp khắc phục - Chế tạo b < a : tổn thất lưu lượng tăng do rò rỉ qua khoang hút - Chế tạo b = a : rất khó ñảm bảo ñộ chính xác - Chế tạo b>a, dịch vách ngăn về phía trái (phía hút)
khi piston ở vị trí tương ứng với CL bị nén thì ñang ở quá trình hút
không có hiện tượng CL bị nén trong XL 15 29 §3. Bơm - ñcơ piston roto hướng trục I. Cấu tạo – nguyên lý làm việc 5 A B 30 - Khối xilanh (1) quay (roto) - Đĩa nghiêng cố ñịnh: roto quay, ñầu piston (2) tì vào ñĩa nghiêng (3), góc nghiêng γ
piston chuyển ñộng tịnh tiến trong khối XL
quá trình hút, ñẩy. - Đĩa phân phối: Mặt ñáy của khối XL ñược lắp sát với ñĩa phân phối cố ñịnh (4). Trên ñĩa phân phối có 2 rãnh hình vòng cung A, B (bọng hút, bọng ñẩy), Hai rãnh A, B thông với 2 lỗ a, b ñược khoan theo phương dọc trục của ñĩa (4) ñể dẫn chất lỏng ra vào trong lỗ XL. 5 A B 16 31 Đc ñim: - Số vòng quay lớn (20.000 v/ph). - Hiệu suất cao : η = 0,95 ; ηQ = 0,97 ÷ 0,98 - Trọng lượng trên 1 ñơn vị công suất: nhỏ - Độ nhạy ñiều chỉnh lớn: Từ 0 ÷ Qmax: 0,04 giây; Từ Qmax ÷ 0: 0,02 giây - Số lỗ XL: Z = 9 ÷ 7 Đường kính lỗ xilanh dxilanh= (10 ÷ 50)mm - Góc nghiêng γ = 20o (ñối với bơm) ; γ = 30o (ñối với ñcơ) - Ap suất làm việc p = (210 ÷ 350) at - Lưu lượng có thể ñạt 1000 ÷ 1800 lit/phút - Đcơ pisroto hướng trục, với áp suất của dầu (220 ÷ 280)at có thể tạo moment quay (8000 ÷ 9000) N.m 32 II. Động học piston S x A B ϕ =ω.t γ t=0
ϕ=0; ñầu piston ở A t
Khối XL quay 1 góc ϕ=ω.t, ñầu piston vạch trên ñĩa nghiêng từ A ñến B x: ñoạn ñường dịch chuyển của piston trong XL ứng với góc ϕ x = A’B’.sin γ = (OA’ - OB’).sin γ = (OA - OB.cos ϕ ).sin γ x = (R - R.cos ϕ ).sin γ R: vòng tròn do ñầu piston vạch trên ñĩa nghiêng 17 33 S x A B ϕ =ω.t γ x = R .(1 - cos ϕ ).sin γ (18) Vận tốc tịnh tiến của piston trong XL v dx dt R= = . .sin .sinω ϕ γ (19) III. Lưu lượng 1. Lưu lượng trung bình Q q n d S Z nlt = =. . . . pi 2 4 S D D D tg r r= = =.sin cos .sin .γ γ γ γ Dr : ñường kính vòng tròn (trên mp vuông góc với trục bơm) trên ñó phân bố các tâm lỗ xilanh Dr 34 2. Lưu lượng tức thời q d v d Rϕ pi pi ω γ ϕ= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 2 2 4 4 sin sin 1 cặp piston-XL: m+1 piston ñang thực hiện quá trình ñẩy ( ) ( )[ ]Q d R a maϕ pi ω γ ϕ ϕ ϕ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + + + + 2 4 sin sin sin ... sin 3 Điều chỉnh lưu lượng : Thay ñổi góc γ của ñĩa nghiêng
hành trình S = Dr. tg γ - Giảm dần γ
lưu lượng giảm - γ = 0 thì Q = 0 - Tiếp tục cho γ ngược với góc nghiêng ban ñầu
máy làm việc ngược lại, bọng hút A trở thành bọng ñẩy 18 35 IV. Lực và moment quay • Bơm: áp suất trong XL trong quá trình ñẩy tác dụng lên piston
áp lực
piston tì vào ñĩa nghiêng
tạo áp lực phát sinh ra moment cản trên trục bơm
ñộng cơ kéo bơm phải khắc phục moment cản này. • Động cơ thủy lực: áp suất CL tác dụng lên piston làm ñầu piston tì vào thành ñĩa nghiêng
sinh ra moment làm roto quay Ap lực tác dụng lên piston: 4 . 2dpP pi= Lực P thông qua ñầu piston tác dụng lên ñĩa nghiêng và phân thành 2 lực: - N = P.cos γ : thẳng góc với mặt phẳng ñĩa - Q = P.sin γ : nằm trong mặt phẳng ñĩa và // trục x, 36 x x y y ϕ Q T R O γ x x N Q P y Ap lực tác dụng lên piston: 4 . 2dpP pi= Lực P thông qua ñầu piston tác dụng lên ñĩa nghiêng và phân thành 2 lực: - N = P.cos γ : thẳng góc với mặt phẳng ñĩa (bk R) - Q = P.sin γ : nằm trong mặt phẳng ñĩa; // trục x, 19 37 x x y y ϕ Q T R O γ x x N Q P y Q gồm 2 thành phần: - Lực tiếp tuyến T = Q.sin ϕ tạo moment quay - Lực hướng tâm Qn= Q.cos ϕ 38 M = T.R = Q.sinϕ .R = R.P.sinγ.sinϕ ⇒ M = Rr.P.tgγ.sinϕ (22) Tổng moment gây ra trên trục máy là tổng của moment do (m+1) piston ñang chịu áp lực gây ra ( )M P R tg iar i m ∑ = = ⋅ ⋅ +∑γ ϕ. sin 0 (23) Moment thay ñổi phụ thuộc góc nghiêng γ của ñĩa
có thể ñiều chỉnh moment quay của ñcơ thủy lực bằng cách thay ñổi góc nghiêng γ của ñĩa, không cần thay ñổi áp suất làm việc p của CL Moment do lực T tạo ra trên trục (tính cho 1 piston ): 20 39 IV. Cơ cấu phân phối chất lỏng • Cơ cấu phân phối chất lỏng làm nhiệm vụ ñưa chất lỏng vào xilanh trong quá trình hút và ñưa chất lỏng ra ngoài trong quá trình ñẩy. • Đối với máy piston roto hướng trục, cơ cấu phân phối chất lỏng chủ yếu là ñĩa phân phối, (cơ cấu phân phối mặt ñầu). • Độ làm việc tin cậy của cơ cấu phân phối phụ thuộc vào ñộ chính xác tính toán và chất lượng vật liệu (ít bị mài mòn) cũng như chất lượng chế tạo các cặp tiếp xúc.