Cơ khí chế tạo máy - Chương 3: Máy thể tích bơm piston – Xilanh thủy lực

11 Chương 3 MÁY THỂ TÍCH BƠM PISTON – Xilanh thủy lực 2 §1. Khái niệm chung về máy THỂ TÍCH - Nguyên lý làm việc của Bơm PISTON 23 Rotory Pumps 4 I. Khái niệm chung về máy THỂ TÍCH • Nguyên lý làm việc: nén chất lỏng trong 1 thể tích kín nhờ: - Chuyển ñộng tịnh tiến của piston trong xilanh hoặc - Chuyển ñộng quay của roto (bánh răng) trong stato (vỏ bơm). • Bị nén ⇒ áp năng của dòng chảy thay ñổi, ñộng năng ≈ const ⇒ máy thủy tĩnh 35 Phân loại máy thể tích • Máy piston (chuyển ñộng tịnh tiến) • Máy roto (chuyển ñộng quay) • Máy piston roto (piston chuyển ñộng tịnh tiến nhờ chuyển ñộng quay của khối roto). V
nguyên tc, máy th tích có th làm ñc hai nhim v: bơm và ñ ng cơ thy lc 6 7 II. Cấu tạo bơm piston – Đặc ñiểm làm việc Co Bo C B β RT l ω O Bơm piston tác dng ñơn (piston ñĩa) 47 B M PISTON TR 8 • Buồng làm việc V: giới hạn bởi xilanh 2, bề mặt piston 1, hộp van 5. • Nguyên lý làm việc: Động cơ ñiện dẫn ñộng tay quay 9, thông qua thanh truyền 10
chuyn ñ ng tnh tin ca piston trong XL Co Bo C B β R T l ω 59 • Piston 1 sang trái ⇒ thể tích buồng V tăng ⇒ áp suất trong V giảm ⇒ trong V có áp suất chân không ⇒ Van hút 6 mở, Van ñẩy 4 ñóng, CL theo ống hút 7 ñi vào buồng V. • Piston 1 sang phải ⇒ CL bị nén, áp suất trong V tăng ⇒ van hút 6 ñóng, khi p = áp suất phụ tải
van ñẩy 4 mở
CL ñi ra theo ống ñẩy 3. • Trong 1 vòng quay
1 lần hút + 1 lần ñẩy: bơm piston tác dụng ñơn Co Bo C B β R T l ω 10 Đặc ñiểm chung của máy thể tích • Yêu cầu CL làm việc: sạch, không có các hạt cứng • Khe hở làm việc (thành xilanh - piston): rất bé ñể ñảm bảo ñộ kín, ñáp ứng yêu cầu cao của áp suất làm việc • Dòng chảy qua ống hút, ñẩy: không liên tục, không ổn ñịnh  hin tng dao ñ ng lu lng và áp sut (nhược ñiểm cơ bản) ⇒ sử dụng bình ñiều hòa. • Khả năng tự hút của bơm thể tích: có thể tự khởi ñộng, không cần mồi bơm. 611 III. Phân loại bơm piston • Theo phương pháp dẫn ñộng: -- Bơm tay: (dẫn ñộng bằng tay) -- Bơm dẫn ñộng thẳng: cần piston nối trực tiếp với cần piston của ñộng cơ dẫn ñộng. -- Bơm dẫn ñộng bằng cơ cấu tay quay thanh truyền: • Theo kết cấu piston: -- Piston ñĩa: mặt bên piston tiếp xúc với thành xilanh, lót kín bằng các segment trên piston,
y/cầu chế tạo chính xác. -- Piston trụ: ñường kính piston nhỏ: Mặt tiếp xúc là piston - cổ xilanh
lót kín rất tốt Lòng xilanh không cần chế tạo với ñộ chính xác cao. • Theo số lần tác dụng: Tác dụng ñơn - Tác dụng kép – Tác dụng ba ... 12 Ống hút chung Ống ñẩy chung 1,4 : Van hút 2,3 : Van ñẩy Dpis: ñk piston dc: ñk cần piston t=0 t ϕ ϕ=0 ÷180o: piston ñi về phía trái: A hút, B ñâỷ ϕ= 180o ÷360o: piston ñi về phía phải: A ñẩy , B hút Trong 1 vòng quay của tay quay: 2 quá trình hút, 2 quá trình ñẩy: tác dụng kép Bơm piston tác dụng kép 713 Bơm piston tác dụng ba • Ba bơm tác dụng ñơn • Dẫn ñộng bằng 1 trục khuỷu • Góc lệch cổ khuỷu là 120o, • Đường ống hút chung • Đường ống ñẩy chung. 14 Phân loại theo áp suất làm việc • Bơm áp suất thấp: p < 10 at • Bơm áp suất trung bình: p = (10 ÷ 20) at • Bơm áp suất cao: p > 20 at Phân loại theo lưu lượng • Bơm lưu lượng nhỏ: Q < 15 m3/h • Bơm lưu lượng trung bình: Q = (15 ÷ 60) m3/h • Bơm lưu lượng lớn: Q > 60 m3/h 815 §2 Các thông số làm việc trong bơm thể tích I) Cột áp H: g vvpp zzeeH vaoravaoravàoravàora 2 22 − + − +−=−= γ γγγ lvvaora ppppH =∆=−≈
c t áp ca bơm th tích ph thu c: -- Ap suất phụ tải (áp suất yêu cầu tại nơi tiêu thụ) -- Khả năng lót kín: lót kín không tốt  rò rỉ  mất mát Q, H. -- Công suất ñộng cơ dẫn ñộng -- Độ bền các chi tiết chịu lực 16 II) Lưu lượng Q: 1) Lưu lượng trung bình: [ ]sm /60 n . q Q 3lt = • q: Lu lng riêng (trong 1 chu kỳ) • n: số chu kỳ làm việc (số vòng quay) trong 1 phút. Lưu lượng thực tế: Q = Qlt - ∆Q = Qlt.ηQ ∆Q: • lưu lượng rò rỉ trong bơm và rò rỉ ra ngoài • phụ thuộc chất lượng ñệm lót, ñộ nhớt chất lỏng, áp suất làm việc. 917 2) Lưu lượng tức thời Qϕ: • Xác ñịnh tại thời ñiểm t (ứng với góc quay ϕ), • Qϕ= v.F F: diện tích mặt làm việc (của piston) v: vận tốc của dòng chảy (tại bề mặt làm việc) (của piston) • v thay ñổi theo t ⇒ Qϕ= f(t) = f(ϕ) 18 III. Lực tác dụng lên bề mặt làm việc (piston): P = plv. F IV. Công suất - Hiệu suất: I. Công suất thủy lực: Ntl = plv.Q 2. Công suất trên trục: ηη γ ηηη γ QpHQHQN lv ckHQ tr ⋅ = ⋅⋅ = ⋅⋅ ⋅⋅ = hiệu suất thủy lực (≅1). 10 19 I. Lưu lượng trung bình lý thuyết: §3. Lưu lượng bơm piston 60 . nqQlt = 1. Lưu lượng riêng q (m3/vòng): • Bơm tác dụng ñơn: qdon = F.S = F.2RT • Bơm tác dụng kép: qkep = (2F - f).S • Bơm tác dụng ba: qba = 3F.S 20 2. Lưu lượng trung bình thực: Q = Qlt. ηQ 3. Hiệu suất lưu lượng: • D < 150 mm ηQ = 0,85 ÷ 0,90 • 150mm<D< 300 mm ηQ = 0,90 ÷ 0,95 • D > 300 mm ηQ = 0,95 ÷ 0,98 4. Tỉ số S/Dpis (S=2RT): S/Dpis = 0,8 ÷ 2 5. Vtốc tbình của piston: vtb = 0,5 ÷ 0,9 m/s 11 21 6. Điều chỉnh lưu lượng Điều chỉnh: • Số vòng quay n
nhược ñiểm: + Động cơ có svq thay ñổi hoặc dùng thêm bộ biến tốc
ñắt tiền +Svq n bị giới hạn (n<300v/ph): (lực quán tính do chuyển ñộng không ổn ñịnh của CL trong bơm) • Hành trình làm việc của piston (thay ñổi RT) • Diện tích mặt làm việc của piston (khó thực hiện) • Dùng tit lu ñ x bt cht lng t bung ñy v
bung hút hoc b hút: thng ñc s dng. 22 II. Lưu lượng tức thời: Qϕ = F.vpis x=RT(1 - cos ϕ) : quãng ñường dịch chuyển của piston ứng với góc quay ϕ của tay quay dt dx vpis = Co Bo C B β RT l ω O 12 23T dayo dayoo RFQ Q ⋅⋅=⇒= =⇒== ωϕ ϕϕ ϕ ϕ max min 270 0360,180 ϕωϕ sin⋅⋅⋅=⋅= Tpis RFvFQ Bơm tác dụng ñơn Trên ñường ống ñẩy: T huto hutoo RFQ Q ⋅⋅=⇒= =⇒== ωϕ ϕϕ ϕ ϕ max min 90 0180,0 Trên ñường ống hút: 24 ϕ Qϕ huït âáøy 0 pi 2pi Qmax max maxdon lt lt Q Q Q Q piΨ = ⇒ Ψ = = Qmax Lưu lượng tức thời của bơm piston tác dụng ñơn Hệ số dao ñộng lưu lượng 13 25 ϕ Qϕ huït âáøy Qmax max max 2 kep lt lt Q Q Q Q piΨ = ⇒ Ψ = = A B Boí qua dc Lưu lượng tức thời bơm piston tác dụng kép 26 max max 3 ba lt lt Q Q Q Q piΨ = ⇒ Ψ = = Lưu lượng bơm piston tác dụng ba 14 27 Khắc phục dao ñộng lưu lượng • Dao ñộng lưu lượng
dao ñộng áp suất
-- áp suất có thể tăng rất lớn; ảnh hưởng ñến sức bền; ảnh hưởng ñến sự làm việc của hệ thống -- áp suất có thể giảm ñến giá trị rất bé
hiện tượng xâm thực • Biện pháp khắc phục: - Sử dụng bơm tác dụng kép, tác dụng 3, piston roto - Sử dụng bình ñiều hòa: 28 Bình ñiều hòa • bình kín, có kích thước lớn, có chứa không khí; • ñặt trên ñường ống hút (ngay sát cửa vào của bơm)
ñiều hòa lưu lượng và áp suất trong ñường ống hút • hoặc ñặt trên ñường ống ñẩy (ngay sát cửa ra của bơm )
ñiều hòa lưu lượng và áp suất trong ñường ống ñẩy. 15 29 Bình ñiều hòa Bình ĐH pck=const pdư=const Đoạn ống ngắn 30 a) Bình ñiều hòa hút: • Ống ngắn 1 nối cửa vào của van hút và BĐH • Ống hút (dài) nối thông BĐH với bể hút (bể chứa). • Độ chân không trên mặt thoáng BĐH gần như không thay ñổi
dòng chảy trên ñường ống hút ñi
u hòa, không b dao ñ ng. pck=const Đoạn ống ngắn 16 31 b) Bình ñiều hòa ñẩy: • CL ñi từ BĐH vào ống ñẩy nhờ áp suất dư trên mặt thoáng của BĐH. • Do kích thước của bình lớn
mực CL trong bình dao ñộng rất ít
áp suất dư trên mặt thoáng bình gần như không ñổi
dòng CL trong ống ñẩy luôn ñược ñiều hòa • Lực quán tính chỉ xuất hiện trên 1 ñoạn ngắn từ bơm ñến BĐH. Bình ĐH pdư=const 32 §4. Chuyển ñộng không ổn ñịnh của CL trong bơm - Áp suất trong XL trong quá trình hút: mc O mc x Sơ ñồ tính áp suất trong XL trong quá trình hút 17 33 Ber: mc O (bê hút) ÷ mc x (sát bề mặt piston) mc O mc x dt dv g x dt dv g lds t v g phh mcx mcO ⋅+⋅=∫ ∂ ∂1 Cột áp quán tính hqt của dòng không dừng v f v F v v F fh h p h p h ⋅ = ⋅ ⇒ = ⋅       +⋅⋅=∫ xlf F dt dv g ds t v g hh p mcx mcO 11 ∂ ∂ h g v t ds L x g dv dtqt mca mcx qdh p = = + ⋅∫ 1 ∂ ∂ 34 mc O mc x h h v g l d v gwhuït vh i i i n i i i i i m = + ⋅ + ⋅ = = ∑∑ ∑ζ λ 2 1 2 12 2 i pi f F vv ⋅= 2 i m 1i i i i 2 i n 1i iqdh f F d l f F       ⋅λ+     ζ=ς ∑∑ == h h v gwhuït vh qdh p = +∑ ς 2 2 18 35 ∑∫ +++++=+ whut mcx mcO pxh h oa hds t v gg vp xZ g vp ∂ ∂ γγ 1 22 22 Ber: mc O (bê hút) ÷ mc x (sát b
mt piston) ( ) ( )       ⋅ + +ζ++++− γ = γ dt dv g xL 1 g2 v hxZpp pqdhqdh 2 p vhh axh ( )tR dt dv T p ωω cos2 ⋅⋅=⇒( )tRv Tp ωω sin⋅⋅= ( ) ( ) 22 2 211cos1sin 1coscos1       −=      −−=−= −=⇒−= TTT T T R x R x R x R xRx ϕϕ ϕϕ 36
Áp suất trong XL thay ñổi theo x ( ) ( ) ( )p p Z x h g R x x L x g R xxh a h vh qdh T qdh Tγ γ ζ ω ω= − + + + +      ⋅ ⋅ ⋅ − + + ⋅ ⋅ −       1 2 22 2 2 + x=0 : (bắt ñầu hành trình hút) γ >      ω⋅⋅++− γ = γ bh2 T qdh vhh aminxh pR g L hZpp + x=2RT : (cuối hành trình) ( )       ⋅⋅ + −++−= 2max 2 2 2 ω γγ T Tqdh vhTh axh R g RL hRZpp 19 37 Đkiện không xảy ra xâm thực: pxhmin > pbh
• Hạn chế chiều cao hút Zh • Hạn chế số vòng quay n (giảm ω) • Giảm Lqdh
giảm Lhút, tăng dhút. • Giảm trọng lượng van hút, giảm tổn thất qua van hút. γ >      ω⋅⋅++− γ = γ bh2 T qdh vhh aminxh pR g L hZpp 38 γ >      ω⋅⋅++− γ = γ bh2 T qdh vhh aminxh pR g L hZpp [ ]       ∆++⋅⋅−=       ∆++⋅⋅−−= hhR g L H hhR g LppZ vhT qdh ck vhT qdhbha h 2 2 max ω ω γ ∆h: cột áp dự trữ chống xâm thực. Nhiệt ñộ tăng  pbh tăng, [Hck] giảm  [ Zhut] giảm. 20 39 γ >      ω⋅⋅++− γ = γ bh2 T qdh vhh aminxh pR g L hZpp n g p p Z h L R a xh h vh qdh T = ⋅ − − − ⋅             30 pi γ min [ ] Tqdh vhh bha RL hhZpp n ⋅ ∆−−−− ⋅= γ29 ⇒             ⋅ −− − ⋅= Tqdh vhh xha RL hZpp g γω min pxhmin > pbh
svq cho phép: bơm piston: n=100 ÷ 300 v/ph 40 H Q n2>n1n1 Bắt ñầu xuất hiện rò rỉ ⇒ Q giảm Toàn bô lưu lượng rò rỉ hết ⇒ Q=0 Rò rỉ sớm hơn do có rò rỉ qua van (van ñóng mở không kịp thời) §5. Đường ñặc tính của máy thể tích 21 41 • Cột áp làm việc của bơm bị giới hạn do hiện tượng rò rỉ CL, • Hmax phụ thuộc chất lượng của các ñệm lót kín trong bơm và trong hệ thống. • Khi H=const: + Q tăng khi n tăng vì Q=q.n + N=γQH
N tăng khi Q tăng + ηQ tăng khi n tăng vì Q tăng; H=const
∆Q coi nh không thay ñi. + Khi n tăng quá lớn
ηQ giảm do mất mát qua van
ảnh hưởng ñến khả năng ñiền ñầy của buồng piston. 42 §6. Động cơ thủy lực kiểu piston (Xi lanh lực) I. Cấu tạo – phân loại: bao gồm • piston chuyển ñộng trong xilanh, • ống dẫn chất lỏng vào và ra khỏi xilanh, • các van. Nguyên lý làm việc: ñưa vào XL 1 dòng CL có áp, áp suất CL tác ñộng lên piston
piston chuyển ñộng trong XL
chuyển ñộng của cơ cấu chấp hành của truyền ñộng thủy lực. 22 43 1: Xilanh 2: piston 3: Båm cáúp dáöu 4. Van phán phäúi 5, 6: âæåìng dáöu Pphutai 2 a b A B 1 3 5 4 6Q , p XL lực trong truyền ñộng thủy lực thể tích 44 Phân loi ñ ng cơ thy lc kiu piston 1. Xilanh lực: chuyển ñộng tịnh tiến của piston trongxilanh a. Theo kt cu: XLlực có cần 1 phía XLlực có cần 2 phía: vn tc và lc tác dng khi ñưa CL vào 1 trong 2 phía là như nhau Nhược ñiểm: - kích thc tăng do 2 phía ñều có cần - khó ñảm bảo ñộ ñồng tâm của lòng XL và 2 lỗ cần. b. Theo s chi
u tác dng: XLlực tác dụng 1 phiá: CL ñi vào từ 1 phía, chuyển ñộng ngược lại (hồi vị) ñược thực hiện nhờ lò xo. XLlực tác dụng 2 phía: CL có thể ñi vào từ 2phía 2. Xilanh moment: chuyển ñộng quay với góc quay < 360o (lắc). 1 23 45 II. Các tính toán cơ bn: 1. Din tích làm vic F ca piston: Lực tác ñộng vào piston do CL có áp suất p trong XL: P = p.F - Pms +(-) Pqt F : diện tích làm việc (chịu lực) của piston Pms: lực ma sát do piston ch ñộng trong XL Pqt : lực quán tính, - Khi ñưa dầu vào buồng trái
piston chñộng qua phải: - Khi ñưa dầu vào buồng phải
piston chñộng qua trái: 4 2DFA ⋅ = pi ( ) 4 22 dDFB −⋅ = pi 46 2. Đường kính cần piston: - chọn theo tiêu chuẩn, - tỉ số d/D chọn theo áp suất p 0,70,50,35d/D 50 ÷ 10015 ÷ 50<= 15p (at) S p PPP SFV qtmsphutai ⋅ ±+ =⋅= 3. Thể tích làm việc của XL lực: 24 47 4. Vận tốc chuyển ñộng của piston: v (m/s) Q (m3/s): lưu lượng CL nạp vào XL F Q v =Khi không xét ñến rò rỉ:
Phải xác ñnh ñúng giá trị của F trong từng trường hợp. 48 Hành trình làm việc dài so với kết cấu XL: S= S2+ S1 S2 : hành trình của piston 2 trong XL 3 S1 : hành trình của piston 1 trong XL 2 -- Đưa dầu vào I
pis ñi về phía trái: chñộng làm việc -- Đưa dầu vào II và III: chñộng hồi vị III. Các kt cu ñc bit: Xilanh lng Q, p 25 49 - Đưa dầu vào ñường 1: vmax, Pmin - Đưa dầu vào ñường 2: v2 P2 - Đưa dầu vào ñường 1+2: vmin , Pmax - Đưa dầu vào ñường 3: chuyên ñộng hồi vị Loîi XL Xilanh A Piston B Q, p III. Các kt cu ñc bit: Xilanh bc 50 4 4 4 2 121 2 1 dpP d Q v dF ⋅⋅= ⋅ =⇒ ⋅ = pi pi pi a. Đưa dầu vào ñường 1: vmax, Pmin ( ) ( ) ( ) 4 4 4 22 2222 22 2 dDpP dD Q v dDF −⋅⋅= −⋅ =⇒ −⋅ = pi pi pi b. Đưa dầu vào ñường 2: 4 4 4 2 12212 2 12 DpP D Q v DF ⋅⋅= ⋅ =⇒ ⋅ = pi pi pi c. Đưa dầu vào ñường 1+2: vmin , Pmax 26 51 d D D1 p(at) vmax (m/s) 0.02 0.06 0.04 20 10 1. Tính Q Q=vmax.F1= 0.003142 m3/s 2. Tính v, P Đường 1 Đường 2 Đường (1) + (2) Đường (3) F= 0.0003 0.00251 0.00282744 0.0015708 v (m/s) 10 1.25 1.11 2.00 P(N) 616.38 4931.06 5547.43728 3081.91 52 IV. Hiu sut ca XL lc Hiệu suất cơ khí: Bỏ qua lực quán tính của piston
: Pphụtai= p.F - Pms = p.F. ηck ηck = 0,85 ÷ 0,97: hiệu suất cơ khí do ma sát giữa piston và XL, phụ thuộc kết cấu, ñộ chính xác gia công, áp suất làmviệc, vận tốc chuyển ñộng. Hiệu suất lưu lượng: rò rỉ CL
vận tốc thực của pis: F Q v QXL thuc η⋅ = - Làm kín bằng ñệm hay cao su
khe hở rất nhỏ ηQXL≅1 - Làm kín bằng các vòng kim loại mềm: ηQXL=0,98 ÷ 0,99 27 53 Đệm lót kín: • S/D < 15 : loại XL ngắn, có thể gia công chính xác bề mặt XL
dùng sec măng kim loại • S/D > 15: loại XL dài
dùng vòng ñệm mềm ñể tự ñiều chỉnh. Chiều dài ngàm: chiều dài mà piston còn nằm trong XL khi piston ñã ở vị trí cuối của hành trình S 10% S S > 10D: lng > 20% S Nếu có tải trọng ngang
tăng chiều dài ngàm lng Do khả năng công nghệ
hạn chế S/D < 20 Với xilanh chịu tải 2 phía: S/D < 4 ÷ 6