Bài giảng 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 động quay, trên khối XL cĩ khoan các lỗ xilanh phân bố đều, 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 Gĩc nghiêng γ của đĩa nghiêng (máy piston roto hướng trục) • Chuyển động làm việc: chuyn đng tnh tin ca các piston trong l xilanh và chuyn đng quay ca kh i xilanh (roto)
máy piston roto. 23 Đc đim: • Áp suất cao (cĩ thể đạt 350 at); lưu lượng nhỏ • Cĩ thể điều chỉnh lưu lượng khi áp suất và số vịng quay khơng đổi • Hiệu suất cao (tổn thất cơ khí nhỏ, tổn thất do rị rỉ ít) • Cĩ thể làm việc với svq lớn (đến 20.000v/ph) vì khơng sử dụng van hút, van đẩy. • CL đi vào , đi ra khỏi XL thơng qua trục phân phối (máy hướng kính) hoặc đĩa phân phối (máy hướng trục) • Phạm vi điều chỉnh rộng. 4 Phân lo i: • Máy piston roto hướng kính: các lỗ XL phân bố đều trên khối XL theo phương hướng kính (thẳng gĩc với trục quay của khối xilanh) • Máy piston roto hướng trục: các lỗ XL phân bố đều 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) đặt lệch tâm trong phần cố định 2 (stato: vỏ). • Trên khối XL cĩ khoan các lỗ xi lanh phân bố đều theo phương hướng kính. • Piston cĩ dạng trụ, khơng cĩ cần, cĩ xu hướng đi ra nhờ các lị xo đặt trong lỗ XL
đầu piston tì vào vành stato. • e : độ 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 : gĩc giữa 2 lỗ XL 47 Trục phân phối • Trục phân phối là lõi cố định của stato, • Khối XL quay lồng khơng trên trục phân phối. • Trên trục phân phối cĩ 2 rãnh A, B hình bán nguyệt, thơng với ống hút và ống đẩy nhờ 2 lỗ a, b 8 • Ở nửa trên stato, piston đi ra, áp suất trong lỗ XL giảm, CL được 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 đẩy B là 2 rãnh hình bán nguyệt phay trên trục phân phối 4 (cố định), cách nhau bởi 1 rãnh ngăn • Đường dẫn a, b được khoan dọc theo trục phân phối để dẫn CL vào và ra • Roto quay theo chiều ngược lại
B: bọng hút, A: bọng đẩy. • Ở nửa dưới stato, piston bị vành stato ép
chuyển động đi vào, CL được nén vào bọng đẩy B, đi ra ngồi theo đường dẫn b: quá trình đẩy của bơm. 59 Động cơ piston roto hướng kính • CL áp suất cao được đưa vào lỗ XL • Áp lực CL tác dụng lên bề mặt piston, thơng qua piston tác dụng lên thành stato, tạo ra lực tiếp tuyến
tạo ra moment làm quay roto • Khơng cần lị xo đặt trong lỗ XL vì CL áp suất lớn luơn đẩy đầu piston chuyển động đi ra theo phương hướng kính. 10 Đặc điểm • Áp suất làm việc cĩ thể đạt 250 at • CL vào và ra khỏi XL qua trục phân phối  khơng sử dụng van
bơm làm viêc với svq lớn (đến 20.000 v/ph). • Điều chỉnh lưu lượng nhờ độ lệch tâm của roto. Các thơng số cơ bản: Q, N, M, n, p p càng lớn
yêu cầu về độ chính xác chế tạo, độ bền, độ kín khít phải càng tốt. • n quá lớn sẽ hạn chế khả năng điền đầy 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 điểm t: piston ở vị trí C ϕ=ω.t: gĩc quay của roto; r = O1C: bán kính stato; R= O2C = f(t) Pis. tịnh tiến trong XL 1 đoạn: 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 chđộng 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 động 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 động vận tốc của 1 cặp piston – XL : 14 Vận tốc của đầu piston trên vành stato • Piston quay theo khối XL và tì vào stato
điểm mút đầu piston cĩ vận tốc vịng (quay với ω=const và khoảng cách R thay đổi)       −+⋅⋅== ϕϕωω 2sin 2 1 cos. r e e r eRvd (7) Gia tốc của piston + Gia tốc của chuyển động tương đối (chuyển động tịnh tiến của piston trong xilanh) + Gia tốc của chuyển động theo (chuyển động 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 vịng 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 đang thực hiện quá trình đẩy m + 1 : số cặp piston XL đang thực hiện quá trình đẩy ϕ : gĩc của XL thứ 1 (đang thực hiện quá trình đẩy) ϕ + a : gĩc chỉ vị trí của XL thứ 2 ϕ + m.a : gĩc 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 đại: 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 gĩc ϕ = 0 : ϕo : gĩc dao động của bơm Hệ số lưu lượng khơng đều: Ψ = Q Q tb max Hệ số dao động 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 động 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: khơng đổi
chỉ cĩ thể điều chỉnh lưu lượng bằng cách: • thay đổi số vịng quay n của roto • thay đổi độ lệch tâm e bằng cách xê dịch stato để roto dần dần vào giữa stato Lưu lượng lớn nhất của bơm ứng với emax Lưu lượng bé nhất khi roto và stato đồng tâm: e = 0 ⇒ Q = 0 20 : hệ số điều chỉnh lưu lượngε = e emax ε = 1 ⇒ Q = Qmax ε = 0 ⇒ Q = 0 ε < 0 : (tiếp tục thay đổi e theo phía ngược lại)
dịng CL vào bơm theo chiều ngược lại
buồng đẩy trở thành buồng hút Cĩ thể cho máy làm việc đảo chiều mà khơng cần thay đổi 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 đẩy, đầu piston tì vào thành stato
thành stato tác dụng vào đầu 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 vuơng gĩc 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 động (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 động theo t (hàm tuần hồn theo ϕ) Đối với 1 piston: ϕ = 0 ⇒ sin ϕ = 0 ⇒ T = 0 ϕ = 90o ⇒ sin ϕ =1 ⇒ T = Tmax Do cĩ ma sát giữa bề mặt piston và XL, giữa đầu piston và thành stato
đối với động cơ: T = P.tg (α + Ψ) Ψ : gĩc 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 để tính bền) ( ))1,0995,0cos 1,01 1,0 max max f PN f fPT −Ψ = − + ⋅= (15) 13 25 2. Moment • Máy là động cơ: lực tiếp tuyến T sinh moment quay. • Moment quay tác dụng lên 1 piston: M = T.R (16) R: khoảng cách từ đầu piston đến 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 đẩy khi máy làm việc M T Ri i i m ∑ = = ⋅∑ 0 Moment quay phụ thuộc gĩc ϕ, tỉ lệ thuận với độ lệch tâm e. Đcơ piston roto hướng kính: điều chỉnh được moment quay bằng cách thay đổi độ lệch tâm e; khơng cần thay đổi áp suất dịng CL đưa 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 đẩy pđ
tải trọng ngang tác dụng lên trục phân phối; • Dùng bi
n pháp cân bng thy lc để 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 vịng tạo sự thơng chất lỏng; ở phần rãnh áp suất cĩ giá trị như nhau trên tồn bộ chu vi rãnh b) Khoan lỗ trên trục phân phối: Khoan lỗ thơng từ khu vực áp suất cao đến 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 pđ • Khi kích thước vách ngăn lớn hơn đường kính lỗ vào của XL
piston bắt đầu quá trình nén nhưng lỗ XL vẫn chưa được nối với khoang đẩy 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 rị rỉ qua khoang hút - Chế tạo b = a : rất khĩ đảm bảo độ 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 đang ở quá trình hút
khơng cĩ hiện tượng CL bị nén trong XL 15 29 §3. Bơm - đcơ piston roto hướng trục I. Cấu tạo – nguyên lý làm việc 5 A B 30 - Khối xilanh (1) quay (roto) - Đĩa nghiêng cố định: roto quay, đầu piston (2) tì vào đĩa nghiêng (3), gĩc nghiêng γ
piston chuyển động tịnh tiến trong khối XL
quá trình hút, đẩy. - Đĩa phân phối: Mặt đáy của khối XL được lắp sát với đĩa phân phối cố định (4). Trên đĩa phân phối cĩ 2 rãnh hình vịng cung A, B (bọng hút, bọng đẩy), Hai rãnh A, B thơng với 2 lỗ a, b được khoan theo phương dọc trục của đĩa (4) để dẫn chất lỏng ra vào trong lỗ XL. 5 A B 16 31 Đc đim: - Số vịng quay lớn (20.000 v/ph). - Hiệu suất cao : η = 0,95 ; ηQ = 0,97 ÷ 0,98 - Trọng lượng trên 1 đơn vị cơng suất: nhỏ - Độ nhạy điều 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 - Gĩc nghiêng γ = 20o (đối với bơm) ; γ = 30o (đối với đcơ) - Ap suất làm việc p = (210 ÷ 350) at - Lưu lượng cĩ thể đạt 1000 ÷ 1800 lit/phút - Đcơ pisroto hướng trục, với áp suất của dầu (220 ÷ 280)at cĩ 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; đầu piston ở A t
Khối XL quay 1 gĩc ϕ=ω.t, đầu piston vạch trên đĩa nghiêng từ A đến B x: đoạn đường dịch chuyển của piston trong XL ứng với gĩc ϕ x = A’B’.sin γ = (OA’ - OB’).sin γ = (OA - OB.cos ϕ ).sin γ x = (R - R.cos ϕ ).sin γ R: vịng trịn do đầu piston vạch trên đĩa 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 : đường kính vịng trịn (trên mp vuơng gĩc với trục bơm) trên đĩ 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 đang thực hiện quá trình đẩy ( ) ( )[ ]Q d R a maϕ pi ω γ ϕ ϕ ϕ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + + + + 2 4 sin sin sin ... sin 3 Điều chỉnh lưu lượng : Thay đổi gĩc γ của đĩa nghiêng
hành trình S = Dr. tg γ - Giảm dần γ
lưu lượng giảm - γ = 0 thì Q = 0 - Tiếp tục cho γ ngược với gĩc nghiêng ban đầu
máy làm việc ngược lại, bọng hút A trở thành bọng đẩy 18 35 IV. Lực và moment quay • Bơm: áp suất trong XL trong quá trình đẩy tác dụng lên piston
áp lực
piston tì vào đĩa nghiêng
tạo áp lực phát sinh ra moment cản trên trục bơm
động cơ kéo bơm phải khắc phục moment cản này. • Động cơ thủy lực: áp suất CL tác dụng lên piston làm đầu piston tì vào thành đĩa nghiêng
sinh ra moment làm roto quay Ap lực tác dụng lên piston: 4 . 2dpP pi= Lực P thơng qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực: - N = P.cos γ : thẳng gĩc với mặt phẳng đĩa - Q = P.sin γ : nằm trong mặt phẳng đĩa 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 thơng qua đầu piston tác dụng lên đĩa nghiêng và phân thành 2 lực: - N = P.cos γ : thẳng gĩc với mặt phẳng đĩa (bk R) - Q = P.sin γ : nằm trong mặt phẳng đĩa; // 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 đang chịu áp lực gây ra ( )M P R tg iar i m ∑ = = ⋅ ⋅ +∑γ ϕ. sin 0 (23) Moment thay đổi phụ thuộc gĩc nghiêng γ của đĩa
cĩ thể điều chỉnh moment quay của đcơ thủy lực bằng cách thay đổi gĩc nghiêng γ của đĩa, khơng cần thay đổi 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 đưa chất lỏng vào xilanh trong quá trình hút và đưa chất lỏng ra ngồi trong quá trình đẩy. • Đối với máy piston roto hướng trục, cơ cấu phân phối chất lỏng chủ yếu là đĩa phân phối, (cơ cấu phân phối mặt đầu). • Độ làm việc tin cậy của cơ cấu phân phối phụ thuộc vào độ chính xác tính tốn và chất lượng vật liệu (ít bị mài mịn) cũng như chất lượng chế tạo các cặp tiếp xúc.