Chương 2 TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC 2. Khái niệm chung về truyền động thuỷ lực 2. Khái niệm về truyền động thuỷ lực 2. Khái niệm cơ bản về truyền động thuỷ lực Muốn truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận làm việc của các máy, ngoài cách dùng các loại truyền động cơ khí, điện, khí nén người ta còn dùng một loại truyền động mới là truyền động thuỷ lực.
Truyền động thủy lực là dùng môi trường chất lỏng làm khâu trung gian để truyền cơ năng. Nó xuất hiện do yêu cầu cần truyền công suất lớn với đặc điểm êm, ổn định và dễ tự động hóa…mà các loại truyền động khác chưa đáp ứng được. Hệ thống truyền động thủy lực (TĐTL) đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các trang thiết bị công nghệ và kỹ thuật của các ngành, như: chế tạo máy, đúc, luyện kim, giao thông, hàng hải, khai thác mỏ, hàng không, các ngành công nghiệp nhẹ… Chúng thường được sử dụng dưới dạng các hệ truyền động kẹp giữ, vận chuyển nâng hạ, di chuyển, phanh hãm, các cơ cấu tự động hóa, truyền mô men quay,… Hệ thống TĐTL được sử dụng rộng rãi như vậy bởi vì chúng có nhiều ưu điểm mà các hệ truyền động khác không có được, đó là: - Truyền được lực và công suất lớn - Có phạm vi điều chỉnh vô cấp vận tốc ở nhánh ra rộng, nhờ vậy nó cho phép tạo ra một chế độ làm việc hợp lý của cơ cấu chấp hành ở các nhà máy; - Có khả năng đề phòng được sự cố cho các máy thủy lực khi bị quá tải; - Cho phép đảo chiều chuyển động được dễ dàng mà không phải thay đổi hướng chuyển động của động cơ dẫn động; - Có thể đảm bảo cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của tải trọng ngoài. - Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ do trọng lượng trên một đơn vị công suất của truyền động nhỏ, ưu điểm này có ý nghĩa rất lớn trong các hệ thống tự động, dễ sử dụng và điều khiển đơn giản; - Chuyển động êm, hầu như không có tiếng ồn; - Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ; - Dầu truyền động là dầu khoáng vật nên cũng là dầu bôi trơn các chi tiết làm việc.
Tuy vậy, truyền động thủy lực cũng có những nhược điểm sau: - Về tác động nhanh và làm việc với điều khiển từ xa, thì chúng không bằng các hệ điều khiển điện - điện tử. - Vận động truyền động bị hạn chế vì phải đề phòng hiện tượng va đập thủy lực, tổn thất cột áp, tổn thất công suất lớn và xâm thực. - Khó làm kín các bộ phận làm việc, chất lỏng làm việc dễ bị rò rỉ hoặc không khí bên ngoài dễ lọt vào, dẫn đến tổn thất chất lỏng làm việc qua các vòng đệm và khe hở sẽ làm giảm hiệu suất và tính chất làm việc ổn định của truyền động, gây ô nhiễm khu vực làm việc; - Chất lỏng làm việc bị nóng lên nhiều, nên cần có thiết bị làm nguội và chống cháy; 56 - Hiệu suất của hệ TĐTL nhỏ hơn hiệu suất của hệ truyền động cơ khí và điện điện tử. - Yêu cầu đối với chất lỏng làm việc thường phức tạp: độ nhớt phải tích hợp và ít thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi, không ăn mòn kim loại, không độc… Do truyền động thủy lực có nhiều ưu điểm trên nên ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.
Trong công nghiệp mỏ hệ thống truyền động thủy lực được dùng trong máy gạt, máy khoan xoay cầu, máy xúc thủy lực, thiết bị vận tải, máy liên hợp đào lò, máy khấu, máy tuyển khoáng…Truyền động thủy lực ngày càng được dùng nhiều trong các máy và hệ thống điều khiển tự động dây chuyền sản xuất. Vì vậy việc nghiên cứu hệ thống truyền động này là việc làm không thể thiếu. Truyền động thủy lực được chia làm hai loại: Truyền động thủy lực động và truyền động thủy tĩnh. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động thuỷ lực Hệ thống truyền động thuỷ lực (TĐTL) có thể chia thành hai loại như sau: - Loại đường dẫn: (Sơ đồ a) Chất lỏng làm việc được nạp năng lượng từ nguồn bên ngoài để đi đến động cơ thuỷ lực thông qua đường ống dẫn.
- Loại bơm: (Sơ đồ b) Chất lỏng làm việc được nạp năng lượng nhờ máy bơm ở đầu đường ống dẫn. Hệ điều khiển Cơ năng Động cơ thuỷ lực Phụ tải Đường dẫn chất Lỏng có áp Thuỷ năng Sơ đồ a Hệ điều khiển Động cơ Máy bơm Động cơ thuỷ lực Cơ năng Phụ tải dẫn động Sơ đồ b Cơ năng Thuỷ năng Hình 2-1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐTL Thông qua sự chuyển hoá năng lượng từ bộ phận tạo dòng áp lực đến động cơ thuỷ lực người ta sẽ nhận được các thông số làm việc của TĐTL thích ứng với sự thay đổi của phụ tải. Hệ điều khiển dùng để tác động lên bộ phận tạo dòng áp lực, lên chất lỏng làm việc hoặc lên động cơ thuỷ lực.
Thông số điều khiển hoặc điều chỉnh là lưu lượng, áp suất hay hướng chuyển động của dòng chất lỏng làm việc. 57 Để phù hợp chuyển động của cơ cấu chấp hành, dạng chuyển động ở đầu ra của động cơ thuỷ lực có thể là tịnh tiến khứ hồi theo đường thẳng (xy lanh lực), quay tròn theo tâm quay (các tua bin thuỷ lực) hoặc quay khứ hồi với một góc quay nào đó (xy lanh mômen). Các thông số chính của hệ thống truyền động thuỷ lực Trong hệ thống truyền động thuỷ lực có ba bộ phận quan trọng nhất, đó là: Bộ phận tạo dòng áp lực (máy bơm); động cơ thuỷ lực; bộ phận điều khiển và điều chỉnh. Các bộ phận này còn gọi là bộ phận công tác chính, chúng có các thông số cơ bản như sau: 2.
Lưu lượng Q Là lượng chất lỏng chuyển động qua bộ phận công tác trong một đơn vị thời gian, (m /s; l/s; kg/s…) 3 2. ta có quan hệ giữa áp suất p với cột áp H như sau: p = . Trong đó: - trọng lượng riêng của chất lỏng, N/m3; - khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3; g - gia tốc trọng trường, m/s2; 2. Công suất N Là năng lượng mà dòng chất lỏng trao đổi với bộ phận công tác trong một đơn vị thời gian, (kgm/s; kW…) 2.
Hiệu suất Đặc trưng cho hiệu quả truyền năng lượng giữa dòng chất lỏng với bộ phận công tác. Hiệu suất chung của các bộ phận công tác được tính như sau: + Bơm: B = tl.ck (2-1) + Động cơ thuỷ lực Đ = tl.ck (2-2) Trong đó: tl - Hiệu suất thuỷ lực; ll - Hiệu suất lưu lượng; ck - Hiệu suất cơ khí. Nếu gọi 0 là hiệu suất của đường dẫn chất lỏng làm việc thì hiệu suất chung của hệ thống TĐTL là: TĐTL = BĐ0 (2-3) Từ đây ta thấy rằng hiệu suất của truyền động thuỷ lực tương đối thấp, vì nó bằng tích của 7 thành phần hiệu suất đều nhỏ hơn 1. Do đó để nâng cao hiệu suất của TĐTL cần phải hoàn thiện tốt nhất mỗi chi tiết trong các thành phần trên.
Tỉ số truyền i Là tỉ số giữa vòng quay của động cơ thuỷ lực với số vòng quay của máy bơm: 58 i = nĐ/nB (2-4) 2. Hệ số biến tốc (hệ số biến đổi mô men) kM Là tỉ số giữa mô men quay tác dụng lên trục bánh tua bin (động cơ thuỷ lực) với mô men quay tác dụng lên trục máy bơm: KM = MĐ/MB (2-5) Do: N = M.n/30, Nên kM = MĐ/MB = (NĐ/NB ).nB/nĐ = TĐTL/i Vậy: TĐTL = i.kM (2-6) ở đây: = n/30 là tốc độ góc và n là tốc độ quay của máy. Thường thì kM>1, còn i<1. Nhưng đối với khớp nối thuỷ lực thì kM = 1, nên i = TDTL 2.
Chất lỏng truyền dẫn áp lực 2. Chất lỏng truyền dẫn áp lực trong hệ thống TĐTL Chất lỏng truyền dẫn áp lực (chất lỏng làm việc) trong hệ thống TĐTL hầu hết là dầu khoáng vật, chúng đồng thời là dầu bôi trơn và chống ăn mòn. Dầu động vật và dầu thực vật không phù hợp vì chúng dễ bị keo hoá. Còn nước chỉ được dùng cho các thiết bị nén lớn, nhu cầu gia công đặc biệt.
Trong các thiết bị dùng nước truyền áp lực thì tất cả các bộ phận tiếp xúc với nước ở trong bơm, động cơ, van phải được làm từ vật liệu không rỉ và có các tính chất an toàn cao. Việc làm kín nhờ các khe hẹp đối với nước không thực hiện được mà phải nhờ các bộ phận lót kín chuyên dùng, do đó sẽ có tổn thất về ma sát. Các thiết bị thuỷ lực với sự nguy hiểm về cháy như ở các ngành: đúc, luyện cốc và rèn dập thì phải dùng chất lỏng khó cháy. Những tính chất của dầu thủy lực a.
Tính chịu nén Các loại dầu thủy lực nói chung được coi như không chịu nén. Tuy nhiên tính chịu nén của nó trong việc tính toán tính đồng nhất của việc thao tác, trong các va chạm thủy lực và các quá trình thay đổi nhanh thì vẫn phải chú ý đến. Sự thay đổi thể tích khi tăng áp suất Vp = V1 - V2 = - p .(p1 - p2) (2-7) Trong đó: V1; V2 - thể tích ban đầu và cuối của chất lỏng. p1, p2 - áp suất ban đầu và cuối của chất lỏng p - hệ số nén khi thay đổi áp suất.
Hệ số nén phụ thuộc vào các loại dầu, vào nhiệt độ và vào áp suất. Thường thì p = (0,6 - 0,8) 103 m2/MN khi áp suất làm việc đến 32MN/m2 và nhiệt độ dầu đến 700c. Mô đun đàn hồi Là đai lượng ngịch đảo của hệ số nén: E = 1/ Đối với dầu: Ed = 1250 - 1650 MN/m2. Sự thay đổi thể tích phụ thuộc vào nhiệt độ: Vt = V1 - V2 = .(t1 - t2) (2-8) Trong đó: t1, t2 - nhiệt độ ban đầu và cuối của chất lỏng, 59 t - hệ số dãn nở vì nhiệt, t = 0,0063 - 0,0007K-1 c.
Khối lượng riêng Phụ thuộc vào loại dầu, nhiệt độ và áp suất: t = 20 .(t-20)] (2-9) ở đây: 20 - khối lượng riêng của dầu ở nhiệt độ 200C, t - khối lượng riêng của dầu ở nhiệt độ t0C. Như vậy, ta có thể viết: p = 0.p) (2-10) ở đây: p - khối lượng riêng của dầu ở áp suất làm việc. 0 - Khối lượng riêng của dầu ở áp xuất khí quyển. Độ nhớt Là đại lượng quan trọng của dầu thủy lực, về nguyên tắc nó sẽ được tính về điều kiện nhiệt độ 500C.
Nhìn chung khi nhiệt dộ tăng thì độ nhớt giảm. Một số tính chất của dầu thủy lực, xem bảng 2-1.