I. Tổng quan giáo trình truyền động máy xây dựng Thủy lực hóa
Giáo trình truyền động máy xây dựng và xếp dỡ phần 2 tập trung vào một tiến bộ khoa học kỹ thuật quan trọng: hệ thống truyền động thủy lực (TĐTL). Trong khoảng 30 năm qua, việc ứng dụng TĐTL đã trở thành xu thế chủ đạo, góp phần nâng cao đáng kể các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật và đáp ứng nhu cầu tự động hóa ngày càng cao. Trên các máy xây dựng và xếp dỡ, đặc biệt là máy thi công, khuynh hướng thủy lực hóa đã chiếm ưu thế gần như tuyệt đối. Theo thống kê từ năm 1984 tại các nước phát triển, tỷ lệ máy móc như cần trục, xe nâng, máy làm đất sử dụng TĐTL đã đạt 94% và hiện nay con số này xấp xỉ 100%. Sự phổ biến này đến từ những ưu điểm vượt trội mà TĐTL mang lại, từ khả năng truyền lực lớn đi xa với kích thước nhỏ gọn, đến việc điều khiển nhẹ nhàng và điều chỉnh tốc độ vô cấp. Đây là nền tảng kiến thức cốt lõi cho bất kỳ ai nghiên cứu về cơ sở thiết kế máy hoặc tìm kiếm tài liệu truyền động máy xây dựng chuyên sâu.
1.1. Ưu điểm vượt trội của hệ thống truyền động thủy lực
Sự thống trị của hệ thống truyền động thủy lực trong ngành máy công trình không phải là ngẫu nhiên. Hệ thống này sở hữu hàng loạt ưu điểm nổi bật. Trước hết, nó có khả năng truyền được lực rất lớn đi xa trong khi trọng lượng và kích thước bộ truyền nhỏ hơn đáng kể so với các kiểu truyền động cơ khí khác. Quán tính của truyền động nhỏ giúp máy vận hành êm dịu, không gây ồn. Việc điều khiển trở nên nhẹ nhàng, dễ dàng và cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ của bộ phận công tác, một tính năng quan trọng giúp tăng độ chính xác và hiệu quả. Hơn nữa, hệ thống TĐTL có khả năng tự bôi trơn, giúp nâng cao tuổi thọ của máy, và tự bảo vệ khi quá tải, giảm thiểu rủi ro hư hỏng. Khả năng bố trí bộ truyền linh hoạt cũng tạo điều kiện cho việc thiết kế tổng thể máy đẹp và thẩm mỹ hơn. Đặc biệt, việc sử dụng các cụm máy được tiêu chuẩn hóa giúp việc sửa chữa hộp số máy công trình và thay thế linh kiện trở nên thuận tiện, giảm giá thành và thời gian.
1.2. Phân biệt truyền động thủy tĩnh và truyền động thủy động
Truyền động thủy lực được chia thành hai kiểu chính: truyền động thủy tĩnh (thủy lực thể tích) và truyền động thủy động. Trong truyền động thủy tĩnh, năng lượng được truyền đi dưới dạng dầu có áp suất cao và vận tốc di chuyển nhỏ. Đây là kiểu truyền động đã giải quyết triệt để khâu truyền động từ động cơ đến các bộ công tác, đôi khi không cần hoặc rất ít dùng đến các cơ cấu cơ khí hỗ trợ. Ngược lại, trong truyền động thủy động, năng lượng được truyền chủ yếu do động năng của dòng dầu, không yêu cầu áp suất lớn. Biến mô thủy lực là một ứng dụng tiêu biểu của truyền động thủy động. Tuy nhiên, trên các máy xây dựng, truyền động thủy động thường chỉ thay thế một khâu nhất định như ly hợp hoặc hộp số, trong khi truyền động thủy tĩnh được ứng dụng toàn diện và được đánh giá cao hơn về mọi phương diện.
II. Thách thức cốt lõi khi vận hành truyền động máy xây dựng
Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm, hệ thống truyền động thủy lực vẫn tồn tại những thách thức và nhược điểm cố hữu đòi hỏi sự quan tâm đặc biệt trong quá trình vận hành và bảo dưỡng hệ thống truyền động. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc làm kín các bộ phận làm việc. Chất lỏng công tác (dầu thủy lực) rất dễ bị rò rỉ ra ngoài hoặc không khí bên ngoài có thể lọt vào, gây giảm hiệu suất và làm mất tính ổn định của bộ truyền. Điều này đòi hỏi phải kiểm tra hệ thống một cách thường xuyên. Bên cạnh đó, áp lực công tác của dầu rất cao, yêu cầu các bộ phận phải được chế tạo từ vật liệu đặc biệt với chất lượng công nghệ cao, dẫn đến giá thành của bộ truyền động thủy lực tương đối đắt. Chất lượng dầu thủy lực cũng là một yếu tố then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ hệ thống. Các đặc tính hóa, lý của dầu như độ nhớt, khối lượng riêng cần được duy trì ổn định để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả.
2.1. Nhược điểm và yêu cầu chế tạo của bộ truyền động thủy lực
Thách thức chính của truyền động cơ khí máy công trình khi chuyển sang thủy lực nằm ở các yêu cầu kỹ thuật khắt khe. Việc làm kín hệ thống là một bài toán khó, rò rỉ dầu không chỉ gây lãng phí, ô nhiễm mà còn làm giảm áp suất, ảnh hưởng trực tiếp đến lực làm việc của máy. Ngược lại, không khí lọt vào hệ thống có thể gây ra hiện tượng xâm thực, làm hỏng các chi tiết như bơm và động cơ thủy lực. Áp suất làm việc cao đòi hỏi vật liệu chế tạo phải có độ bền và độ chính xác cực cao, từ thân van, xi lanh đến các đường ống. Bất kỳ sai sót nào trong quá trình gia công đều có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng khi máy vận hành dưới tải nặng. Do đó, chi phí đầu tư ban đầu và chi phí sửa chữa hộp số máy công trình hay các cụm thủy lực thường cao hơn so với hệ thống cơ khí truyền thống.
2.2. Đặc tính dầu thủy lực ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống
Dầu thủy lực là môi chất công tác, và chất lượng của nó quyết định hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Ba tính chất vật lý được quan tâm hàng đầu là khối lượng riêng, độ thay đổi thể tích tương đối và độ nhớt động học. Độ nhớt là đặc trưng quan trọng nhất, thể hiện độ đậm đặc và khả năng làm việc của dầu. Độ nhớt chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ và áp suất. Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm, có thể gây rò rỉ bên trong và làm giảm hiệu suất truyền lực. Ngược lại, nếu độ nhớt quá cao (khi trời lạnh), tổn thất năng lượng do ma sát sẽ tăng lên. Việc lựa chọn loại dầu thủy lực phù hợp với điều kiện khí hậu và chế độ làm việc (ví dụ dầu HLP25 cho mùa đông, HLP36 cho mùa hè) là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền bỉ, đây là một phần không thể thiếu trong các slide bài giảng truyền động.
III. Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thủy tĩnh toàn diện
Để hiểu rõ nguyên lý làm việc truyền động máy ủi hay máy xúc, việc nắm vững cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền động thủy tĩnh là điều bắt buộc. Mặc dù cấu trúc có thể phức tạp và khác nhau tùy loại máy, nhưng chúng đều bao gồm các thành phần chủ yếu. Máy lai (động cơ điện hoặc bộ phận trích công suất từ động cơ đốt trong) dẫn động bơm thủy lực. Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng thành thủy năng, tạo ra dòng dầu cao áp. Dòng dầu này được dẫn tới van phân phối, nơi nó được điều khiển để đi đến các cơ cấu chấp hành như động cơ thủy lực (tạo chuyển động quay) hoặc xi lanh thủy lực (tạo chuyển động tịnh tiến). Sau khi sinh công, dầu thấp áp sẽ quay trở về thùng dầu để được làm mát và lọc cặn bẩn trước khi bắt đầu một chu trình mới. Đây là nguyên lý hoạt động cốt lõi được mô tả chi tiết trong các ebook máy công trình.
3.1. Sơ đồ các thành phần chính Bơm van và động cơ thủy lực
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền động thủy tĩnh bao gồm năm thành phần chính. Máy lai là nguồn cung cấp công suất ban đầu. Bơm thủy lực hút dầu từ thùng chứa và đẩy đi với áp suất cao. Van phân phối đóng vai trò như một bộ não, điều hướng dòng dầu cao áp tới đúng cơ cấu cần hoạt động. Động cơ hoặc xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành, biến thủy năng trở lại thành cơ năng để thực hiện công việc. Cuối cùng, thùng dầu có chức năng chứa, làm mát và góp phần lọc sạch dầu. Ngoài ra, hệ thống còn có các bộ phận phụ trợ quan trọng như van an toàn, van điều áp, bộ lọc dầu, và các đồng hồ đo nhiệt độ, áp suất để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và ổn định. Sơ đồ này là nền tảng cho việc tính toán hệ thống truyền động.
3.2. So sánh mạch hở và mạch kín trong truyền động thủy lực
Trong máy xây dựng, người ta thường sử dụng hai dạng sơ đồ truyền động thủy tĩnh chính: mạch hở và mạch kín. Trong hệ mạch hở, dầu từ cơ cấu chấp hành sau khi làm việc xong sẽ được chuyển về thùng chứa, được làm nguội và lọc trước khi vào lại bơm. Đây là hệ mạch phổ biến nhất, cấu trúc đơn giản và dễ bổ sung dầu. Ngược lại, trong hệ mạch kín, dầu từ động cơ thủy lực không trở về thùng mà được chuyển thẳng về đường hút của bơm. Hệ thống này thường cần một bơm phụ để bổ sung lượng dầu rò rỉ và có thể làm việc ở áp suất rất cao, cung cấp công suất lớn. Ưu điểm của mạch kín là khả năng đảo chiều chuyển động dễ dàng khi gặp tải lớn. Tuy nhiên, nhược điểm là nhiệt độ dầu thường cao hơn do không có giai đoạn làm nguội tại thùng chứa, và cấu trúc cũng phức tạp hơn.
IV. Hướng dẫn chọn bơm và động cơ thủy lực cho máy xây dựng
Bơm và động cơ thủy lực là trái tim của hệ thống truyền động thủy lực, quyết định trực tiếp đến hiệu quả và sức mạnh của máy. Việc lựa chọn đúng loại bơm và động cơ là một bước quan trọng trong cơ sở thiết kế máy. Các loại phổ biến nhất trên máy xây dựng và xếp dỡ bao gồm kiểu bánh răng, kiểu piston hướng kính và kiểu piston hướng trục. Mỗi loại có những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Bơm bánh răng có kết cấu đơn giản, bền bỉ, giá thành hợp lý, thường được dùng trên các máy cỡ nhỏ hoặc làm bơm phụ. Trong khi đó, các loại bơm piston có khả năng tạo ra áp suất rất cao, hiệu suất lớn và cho phép điều chỉnh lưu lượng, phù hợp với các máy cỡ vừa và lớn đòi hỏi công suất và độ chính xác cao.
4.1. Nguyên lý làm việc của bơm và động cơ thủy lực bánh răng
Bơm bánh răng hoạt động dựa trên nguyên lý hai bánh răng ăn khớp ngoài hoặc trong được đặt trong một vỏ kín. Khi bánh răng chủ động quay, nó kéo bánh răng bị động quay theo. Dầu thủy lực được chứa trong các rãnh răng và được vận chuyển từ khoang hút sang khoang đẩy. Tại khoang đẩy, khi các răng vào khớp, thể tích giảm xuống, dầu bị nén lại và đẩy ra đường ống với áp suất cao. Ưu điểm của loại bơm này là kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tin cậy và kích thước gọn. Tuy nhiên, nhược điểm là không điều chỉnh được lưu lượng và áp suất. Động cơ bánh răng có cấu tạo tương tự nhưng hoạt động theo nguyên lý ngược lại, nhận dầu cao áp để tạo ra mô men quay.
4.2. Phân tích bơm và động cơ thủy lực piston hướng kính
Bơm và động cơ thủy lực piston hướng kính, hay còn gọi là động cơ hình sao, có các piston được bố trí hướng tâm trong một roto quay. Roto này được đặt lệch tâm so với stato. Khi roto quay, do sự lệch tâm, các piston sẽ chuyển động tịnh tiến trong xi lanh, thực hiện quá trình hút và đẩy dầu. Loại này có khả năng tạo ra mô men xoắn trên trục rất lớn ở tốc độ chậm, phù hợp cho các cơ cấu di chuyển máy xây dựng hạng nặng. Áp suất làm việc của loại này có thể rất cao. Động cơ thủy lực hình sao là một thiết bị thủy lực tin cậy, được ứng dụng rộng rãi khi cần mô men quay lớn.
4.3. Đặc điểm của bơm và động cơ thủy lực piston hướng trục
Bơm và động cơ piston hướng trục là loại được sử dụng phổ biến nhất trên các máy xây dựng hiện đại. Trong loại này, các xi lanh được bố trí song song với trục quay của roto. Các piston tỳ vào một đĩa nghiêng. Khi roto quay, các piston buộc phải chuyển động tịnh tiến trong xi lanh, tạo ra chu trình hút và đẩy. Ưu điểm vượt trội của loại này là khả năng tạo áp suất rất cao (16-32 MPa), hiệu suất lớn (0,92-0,95), phạm vi điều chỉnh lưu lượng rộng và có thể làm việc ở số vòng quay lớn, cho phép nối trực tiếp với động cơ. Máy piston hướng trục thường được dùng khi cần số vòng quay cao và mô men thay đổi nhỏ, ví dụ như trong sơ đồ truyền động máy xúc cho cơ cấu quay toa.
V. Phương pháp tính toán và ứng dụng xi lanh thủy lực thực tế
Xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành phổ biến nhất, thực hiện nhiệm vụ biến năng lượng của dòng dầu áp suất cao thành chuyển động tịnh tiến để nâng hạ cần, gầu hoặc lưỡi ủi. Việc tính toán hệ thống truyền động cho xi lanh là một phần quan trọng, quyết định lực đẩy, lực kéo và tốc độ làm việc của các bộ phận công tác. Các loại xi lanh trên máy xây dựng thường có đường kính trong từ 32-220 mm, hành trình piston từ 60-2800 mm và làm việc ở áp suất lên tới 16 MPa. Hầu hết các máy xây dựng đều trang bị xi lanh lực tác động hai phía, nghĩa là dầu công tác có thể tác dụng lên cả hai phía của piston, tạo ra chuyển động hai chiều linh hoạt, mạnh mẽ. Nắm vững cách tính toán và phân loại xi lanh là kiến thức nền tảng trong lĩnh vực này.
5.1. Phân loại và cấu tạo các xi lanh lực trong máy công trình
Xi lanh thủy lực được chia làm hai loại chính: xi lanh lực (tạo chuyển động tịnh tiến) và xi lanh mô men (tạo chuyển động quay). Trong máy xây dựng, xi lanh lực được sử dụng chủ yếu, với loại phổ biến nhất là xi lanh tác động hai phía, có một cán piston. Loại này cho phép dầu cao áp tác động vào cả hai mặt piston để tạo ra lực đẩy và lực kéo. Ngoài ra, để có hành trình làm việc lớn trong một kết cấu gọn, người ta còn sử dụng xi lanh kiểu lồng (telescopic), bao gồm nhiều xi lanh và piston lồng vào nhau. Mặc dù cấu tạo phức tạp và giá thành cao, xi lanh lồng rất hữu ích trong các ứng dụng cần vươn xa như cần trục tự hành hay xe ben.
5.2. Công thức tính toán lực đẩy và tốc độ dịch chuyển piston
Việc tính toán hệ thống truyền động cho xi lanh thủy lực dựa trên các thông số cơ bản như áp suất dầu, đường kính piston và đường kính cán piston. Lực đẩy của piston được xác định bằng tích của áp suất dầu và diện tích bề mặt làm việc của piston. Khi tính lực kéo (piston đi vào), cần trừ đi diện tích của cán piston. Tốc độ dịch chuyển của piston tỷ lệ thuận với lưu lượng dầu cung cấp (Q) và tỷ lệ nghịch với diện tích bề mặt làm việc của piston (A). Do đó, khi piston đi ra, tốc độ sẽ chậm hơn so với khi đi vào vì diện tích làm việc lớn hơn. Các công thức này, có xét đến hiệu suất cơ khí và hiệu suất thể tích, là cơ sở để thiết kế và lựa chọn xi lanh phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.
VI. Bí quyết bảo dưỡng hệ thống truyền động và các bộ phận khác
Để một hệ thống truyền động máy xây dựng hoạt động ổn định và bền bỉ, việc hiểu rõ và bảo dưỡng các bộ phận phụ trợ là vô cùng quan trọng. Các bộ phận này tuy nhỏ nhưng đóng vai trò thiết yếu trong việc bảo vệ, điều khiển và duy trì hoạt động của toàn hệ thống. Van an toàn giữ cho áp lực không vượt quá giới hạn cho phép, bảo vệ các chi tiết khỏi hư hỏng. Van phân phối điều khiển dòng chảy, quyết định chiều và trình tự hoạt động của các cơ cấu. Thùng chứa dầu không chỉ dự trữ mà còn giúp làm mát và lắng cặn bẩn. Việc lựa chọn ống dẫn dầu đúng tiêu chuẩn và lắp đặt đúng kỹ thuật cũng là yếu tố then chốt để đảm bảo không xảy ra rò rỉ hay tổn thất áp suất, góp phần vào việc bảo dưỡng hệ thống truyền động hiệu quả.
6.1. Vai trò của van an toàn và van phân phối trong hệ thống
Van an toàn có nhiệm vụ cốt lõi là giữ cho áp lực dầu trong hệ thống không vượt quá giá trị quy định, đảm bảo tuổi thọ cho các chi tiết và duy trì tính năng hoạt động. Nếu áp lực quá cao, đường ống có thể nứt vỡ, phớt bị hỏng. Van phân phối chuyên làm nhiệm vụ phân chia dòng dầu cao áp đến các bộ máy thủy lực khác nhau theo tín hiệu điều khiển. Loại van bốn cửa điều khiển bằng cần gạt hoặc nam châm điện là phổ biến nhất, cho phép điều khiển dòng dầu đến cơ cấu chấp hành và dẫn dầu hồi về thùng. Cả hai loại van này đều là những thành phần không thể thiếu, đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và chính xác theo ý muốn người vận hành.
6.2. Tiêu chuẩn thiết kế thùng chứa và lựa chọn ống dẫn dầu
Thùng chứa dầu thủy lực có ba công dụng chính: dự trữ, làm mát và làm sạch dầu. Dung tích thùng thường được tính toán dựa trên lưu lượng của bơm để đảm bảo đủ dầu cho hệ thống và có đủ thời gian để dầu hạ nhiệt. Thiết kế thùng phải có vách ngăn để tách khu vực hút và xả, giúp cặn bẩn lắng xuống đáy. Ống dẫn dầu được chia thành hai loại: ống cứng và ống mềm. Việc lựa chọn ống phải dựa trên áp suất làm việc và lưu lượng dầu. Lắp đặt ống, đặc biệt là ống mềm, cần tuân thủ đúng kỹ thuật, tránh xoắn, gập hoặc kéo quá căng để đảm bảo tuổi thọ và ngăn ngừa sự cố. Đây là những yếu tố quan trọng trong việc bảo dưỡng hệ thống truyền động.
