Bài giảng Hệ thống khí nén & thủy lực - Chương II: Cung cấp, xử lý & phân phối nguồn năng lượng

ào tính chất ăn khớp của cặp bánh răng người ta chia ra: 
- Bơm bánh răng ăn khớp ngoài (External gear pump) 
 Bơm kiểu Lobe 
Bơm bánh răng ăn khớp trong 
External gear 
Internal gear 
Inlet 
Outlet 
Crescen 
 Bơm 3 bánh răng 
ăn khớp ngoài 
- Bơm trái khế (bơm kiểu Lobe) 
- Bơm bánh răng ăn khớp trong ( Internal gear pump) 
 Bơm bánh răng (Gear pump) 
 Đặc điểm và ứng dụng của bơm bánh răng 
- Do không có van hút & van xả nên nó có thể quay với tốc độ cao (đến 2.500 v/ph) 
- Bơm bánh răng có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền nhưng hiệu suất thấp, lưu lượng cố định 
- Bơm bánh răng ăn khớp trong có lưu lượng và áp suất ổn định, làm việc êm hơn loại ăn khớp ngoài 
- Áp suất làm việc của bơm thông thường khoảng 50 bar, và có thể đạt đến 200 bar 
- Bơm bánh răng có lưu lượng nhỏ, thường dùng để bơm dầu 
 b) Bơm cánh gạt (Vane pump) 
 Nguyên lý làm việc 
 Bơm cánh gạt là loại bơm thể tích. Khi rotor quay, lực ly tâm làm các cánh gạt di trượt trong rãnh và chuyển động tựa theo mặt trong của thân bơm để tạo ra buồng làm việc của bơm với 2 vùng: vùng có áp suất thấp (vùng hút) và vùng có áp suất cao (vùng đẩy) 
Bơm cánh gạt đơn 
Rotor 
Cánh gạt 
 Bơm cánh gạt (Vane pump) 
 Phân loại 
Dựa vào cấu trúc của stato người ta có thể phân thành 2 loại: 
- Bơm cánh gạt đơn 
- Bơm cánh gạt tác dụng kép 
Dựa vào khả năng điều chỉnh lưu lượng của bơm ta có 2 loại: 
- Bơm cánh gạt không điều chỉnh được lưu lượng 
- Bơm cánh gạt điều chỉnh được lưu lượng 
Rotor 
Stator 
Outlet 
Inlet 
Nguyên lý hoạt động của bơm 
cánh gạt tác dụng kép 
 Bơm cánh gạt (Vane pump) 
 Đặc điểm và ứng dụng của bơm cánh gạt 
So với bơm bánh răng, bơm cánh gạt có lưu lượng đều hơn, hiệu suất thể tích cao hơn 
Cấu tạo đơn giản, giá rẻ, làm việc êm và bền. 
Dễ điều chỉnh lưu lượng hơn so với bơm bánh răng (bơm cánh gạt đơn) 
Nhược điểm của bơm cánh gạt tác dụng kép là không điều chỉnh được lưu lượng, còn bơm cánh gạt đơn thì phạm vi điều chỉnh rất thấp, 
Hiệu suất thấp, chỉ phù hợp với nhu cầu lưu lượng bé và áp suất thấp. 
 c) Bơm piston (Piston pump) 
 Nguyên lý làm việc 
Bơm piston hoạt động theo nguyên tắc thay đổi thể tích, chất lỏng được hút vào và bơm đi nhờ sự biến thiên thể tích buồng làm việc của bơm khi piston tịnh tiến trong xi lanh. 
Do nhiều ưu điểm so với các loại bơm khác, bơm piston hiện nay rất đa dạng về chủng loại cũng như công suất, nó dùng rất phổ biến trong các hệ thống thủy lực. 
P 1 V 1 
P 2 V 2 
Nguyên lý hoạt của động bơm piston 
 Bơm piston ( Piston pump) 
 Phân loại: theo chu kỳ làm việc người ta phân làm 2 loại: 
Bơm piston tác động đơn : một chu kỳ (vòng quay) thực hiện được một quá trình hút và đẩy. 
f 
Bơm piston đơn 
t 
Q 
Q max 
Q tb 
Q 
t 
Q max 
Q tb 
Bơm piston kép 
Bơm piston tác động kép : một chu kỳ làm việc thực hiện được 2 quá trình hút và đẩy 
 Bơm piston (Piston pump) 
 - Bơm piston hướng trục ( Radial piston pump) 
 Phân loại: theo cách bố trí piston ta có : 
Bơm piston hướng trục 
Bơm piston dọc trục - trục thẳng 
Bơm piston dọc trục - trục nghiêng 
- Bơm piston dọc trục ( Axial piston pump) 
 Bơm piston (Piston pump) 
 Đặc điểm và ứng dụng của bơm piston 
So với bơm cánh gạt, bơm piston không phải mồi nước. 
Có khả năng tạo được áp suất rất cao hoặc lưu lượng rất nhỏ 
Tuổi thọ cao hơn các bơm khác, nhất là khi phảo làm việc liên tục với áp suất cao. 
Do những ưu điểm đó nó thường được dùng làm các loại bơm chữa cháy, bơm lắc tay dùng để bơm nước ở các giếng sâu . 
Nhược điểm chính là kích thước lớn, công kềnh, giá thành chế tạo và bảo dưỡng cao 
Lưu lượng không đồng đều so với các loại bơm ly tâm 
 d) Bảng so sánh các loại bơm thủy lực 
Loại bơm 
 thủy lực 
Áp suất 
làm việc 
(PSI) 
Hiệu suất 
(%) 
Tốc độ làm việc 
(v/ph-rpm) 
Bơm bánh răng ăn 
khớp ngoài 
(External gear) 
2000 - 3000 
80 - 90 
1200 - 2500 
Bơm bánh răng ăn 
khớp trong 
(Internal gear) 
500 - 2000 
60 - 85 
1200 - 2500 
Bơm cánh gạt 
(Vane) 
1000 - 2000 
80 - 95 
1200 - 1800 
Bơm piston chiều 
trục 
(Axial piston) 
2000 - 10000 
90 - 98 
1200 - 3600 
Bơm piston hướng 
trục 
(Radial piston) 
3000 - 10000 
85 - 95 
1200 - 1800 
 5.3. Các chỉ tiêu để chọn bơm 
Áp suất làm việc của bơm (bar, PSI) là áp suất mà bơm có thể làm việc ổn định với hiệu suất cao. Trong thực tế người ta thường dựa vào đường đặc tính của loại bơm (Pump characteristic) để lựa chọn bơm. 
Lưu lượng của bơm (lít/phút, m 3 /giờ) 
Hiệu suất của bơm (%) 
Phạm vi số vòng quay n của bơm (v/ph) 
Nhiệt độ cho phép khi hoạt động của bơm 
Loại chất lỏng mà bơm có thể bơm được (nước, dầu, hóa chất) 
Tiếng ồn phát sinh khi bơm hoạt động 
Giá thành và tuổi thọ bơm 
 5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bơm 
Lưu lượng của bơm về lý thuyết không phụ thuộc vào áp suất (trừ bơm ly tâm) mà chỉ phụ thuộc vào kích thước hình học và vận tốc quay của bơm, nhưng thực tế do có sự rò rỉ qua khe hở giữa khoang hút và khoang đẩy nên lưu lượng thực tế nhỏ hơn lưu lượng lý thuyết. 
Khi áp suất càng cao, tổn thất lưu lượng càng lớn. 
Khi đường kính ống hút quá nhỏ hoặc dầu có độ nhớt quá cao. 
Khi đặt vị trí bộ lọc không hợp lý, hoặc khi bộ lọc quá bẩn. 
Khi lắp đặt đường ống hút không hợp lý (quá dài, nhiều co) 
 6 . Động cơ dầu (Hydraulic motors) 
a) Khái niệm 
 Động cơ dầu là thiết bị tiêu thụ năng lượng dưới dạng áp năng của dòng thủy lực, để biến thành cơ năng dưới dạng chuyển động quay (hoặc tịnh tiến). 
Ký hiệu 
b) Phân loại 
Động cơ bánh răng 
Động cơ trục vít 
Động cơ cánh gạt 
Động cơ piston 
 7. Xi lanh (Cylinder) 
Xi lanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng của nguồn khí nén thành công cơ học dưới dạng chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay 
a) Phân loại 
Xi lanh tác động đơn (Single acting cylinder) 
	Chỉ sinh công theo một chiều, chiều còn lại piston tự rút về do lực phản hồi của lò xo, do vậy loại xi lanh này thường có hành trình không quá 200mm 
Kí hiệu 
7.1 Xi lanh khí nén 
 Phân loại xi lanh 
 Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder ) 
Đệm làm kín 
Thân xi lanh 
Đường khí vào/ra 
Đường khí vào/ra 
Cần piston 
Phớt chắn bụi 
D 
d 
Kí hiệu 
- Loại không có giảm chấn 
- Loại có giảm chấn 
Kí hiệu 
 Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder) 
- Xi lanh nối tiếp (Tandem double acting cylinder) 
- Xi lanh kép 2 cần piston (Cylinder with through piston rod) 
Kí hiệu 
- Xi lanh truyền động bằng từ tính (Cylinder with magnetic coupling) 
 Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder 
Đây là loại xi lanh tác động kép không có cần piston (rodless cylinder). Piston di chuyển dọc trục trong xi lanh nhờ áp lực khí nén. Một thân trượt liên kết với piston qua lực từ tính, thân trượt này nối với cơ cấu truyền động bên ngoài. 
Các vòng từ 
Piston 
Thân trượt 
Kí hiệu 
 Xi lanh tác động kép (Double acting cylinder 
- Xi lanh quay bằng thanh răng 
- Xi lanh màng 
Là loại xi lanh tác động đơn, piston làm kín dạng màng chắn. Loại này có hành trình làm việc nhỏ (dưới 80mm), do vậy nó thường sử dụng nhiều trong công nghiệp ô tô (ĐK thắng, ly hợp) 
Chuyển động tịnh tiến piston biến thành chuyển động quay của trục công tác nhờ cơ cấu bánh răng-thanh răng. Góc quay có thể là 90 0 , 180 0 , 360 0 
 c) Lực đẩy sinh ra của xi lanh (F) 
F g 
α 
F 2 
F ms 
F 1 
m 
F = F 1 =	m g sinα 
- Trường hợp tổng quát 
- Khi xi lanh đẩy vật nằm ngang 
F = μ .F g = μ .m .g 
- Khi xi lanh đẩy vật thẳng đứng 
F = m .g 
Trong đó:	 
F Lực đẩy của xi lanh, [N] 
m khối lượng vật, [kg] 
g gia tốc trọng trường, [m/s 2 ] 
μ hs ma sát vật và mặt phẳng 
Lực đẩy F kể trên được sinh ra nhờ áp suất khí nén P cấp cho xi lanh tác dụng lên diện tích làm việc của piston A và được tính: 
 Lực đẩy của xi lanh 
 Với xi lanh tác động đơn 
F = η .P.A – F LX [N] 
 Với xi lanh tác động kép 
L ực đẩy ở hành trình đi ra của piston 
 F = η .P.A [N] 
L ực đẩy ở hành trình rút về của piston 
 F v = η .P.A’ [N] 
Trong đó: 
	P áp suất khí nén cấp cho xi lanh, [N/m 2 ] 
	F LX lực phản hồi của lò xo, [N] 
	 D đường kính xi lanh, [mm] 
	d đường kính cần piston, [mm] 
	 η hiệu suất làm việc của xi lanh, [%] 
 d) Lượng khí tiêu thụ của xi lanh (Q) 
 Với xi lanh tác động đơn 
 Với xi lanh tác động kép 
Trong đó: 	 
	n số hành trình kép/đơn vị thời gian, [hành trình/ph] 
	 D đường kính xi lanh, [dm] 
	d đường cần piston, [dm] 
	L hành trình của xi lanh, [dm] 
	i hệ số chuyển đổi áp suất và được tính: 
	Q lượng khí tiêu thụ (FA) của xi lanh [m 3 /ph] 
 7.2 Xi lanh thủy lực 
a) Chức năng - phân loại 
Xi lanh thủy lực là cơ cấu biến đổi năng lượng, biến thế năng của dầu thành cơ năng dạng chuyển động thẳng 
Xi lanh thủy lực được chia làm 2 loại: xi lanh lực và xi lanh quay. 
- Trong xi lanh lực chuyển động tương đối giữa piston và xi lanh là chuyển động tịnh tiến. 
- Trong xi lanh quay chuyển động tương đối giữa piston và xi lanh là chuyển động quay, góc quay thường < 360 0 
Ngoài ra xi lanh thủy lực còn được chia làm các loại: xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh vi sai 
 b) Các thông số làm việc của xi lanh thủy lực 
 Lực đẩy của xi lanh 
Tỷ số A 2 /A 1 được gọi là hệ số khuếch đại lực 
 Khoảng dịch chuyển x của xilanh 
Piston 1 dịch chuyển đoạn L, thì piston 2 dịch chuyển đoạn là x 
 Vận tốc dịch chuyển v của piston 
Q lưu lượng dầu cấp cho xi lanh, m 3 /s 
A diện tích tác động của piston, m 2 
A 1 diện tích tác động của piston 1 
A 2 diện tích tác động của piston 2 
x 
 Bài tập 
Bài tập 2.1 
m 
d 
P 
D 
Bài tập 2.2 
Xác định đường kính tối thiểu của xi lanh để nó có thể kéo vật m=128,5kg lên. Cho P=5bar, d=20mm, hiệu suất làm việc của xi lanh là 0,9. Bỏ qua các tổn thất khác và ảnh hưởng của lực quán tính. 
Một xi lanh tác động kép có D =50mm, d =20mm, L=160mm, hiệu suất làm việc là 0,9 được cấp nguồn khí nén P=5,5bar. 
 Tính lực đẩy sinh ra ở 2 hành trình của xi lanh? 
 Nếu xi lanh thực hiện 60 hành trình kép/phút. Tính lượng khí tiêu thụ của xi lanh trong 45 phút? 
Xin chaân thaønh caûm ôn!