Truyền động thủy lực và khí nén - Bơm

hình 2.1. Lưu chất được hút vào và đẩy ra nhờ lực ly tâm được tạo ra ở cánh dẫn. CENNITEC Bơm thể tích Đường hút Đường đẩy Van một chiều Van một chiều L Đ ư ờ n g k ín h d np Hình 2.2 Bơm thể tích Nguyên lý làm việc của bơm thể tích có thể tóm tắt như sau: 1 Trong lúc tăng thể tích làm việc của mình, các buồng hoạt động của bơm được kết nối với đường hút. Sự gia tăng thể tích của các buồng làm việc kéo theo sự giảm áp suất bên trong nó, dẫn đến chất lỏng bị hút vào bên trong. 2. Khi thể tích các buồng làm việc đạt tới giá trị lớn nhất, các buồng làm việc được cách ly với đường hút. 3. Trong giai đoạn giảm thể tích, các buồng làm việc được kết nối với đường đẩy. Lưu chất khi đó được đẩy đến ngõ ra của bơm và được nén tới áp suất cần thiết để thắng lực cản tồn tại trong ống dẫn. 4. Giai đoạn đẩy dầu kết thúc khi buồng làm việc giảm đến thể tích nhỏ nhất. Sau đó, buồng làm việc được tách khỏi đường đẩy. CENNITEC Bơm lý tưởng Thể tích riêng của bơm là thể tích chất lỏng được cung cấp bởi bơm sau 1 vòng quay với giả thiết không có sự rò rỉ bên trong bơm và bỏ qua độ nén của chất lỏng. Nó phụ thuộc vào giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất có thể có được của các buồng làm việc, số lượng các buồng làm việc, và số lần hút và đẩy trong một vòng quay của trục bơm. Thể tích này phục thuộc vào hình dáng hình học của bơm nên nó còn được gọi là là thể tích hình học, Dp (geometric volume). Nó được xác định theo công thức sau: Dp = (Vp_max – Vp_min)zi Trong đó, i = số lần hút và đẩy trong một chu kỳ quay, z = số lượng buồng làm việc, Vp_max = thể tích lớn nhất của buồng làm việc (m 3), Vp_min= thể tích nhỏ nhất của buồng làm việc, Dp = thể tích riêng của bơm (m 3/rev). CENNITEC Bơm lý tưởng Giả thiết rằng không có sự rò rỉ bên trong bơm, không ma sát, không có sự mất áp, lưu lượng của bơm lý tưởng là (xem hình 2.3): M Pi Pp ωT Qt HỆ THỐNG Hình 2.3 Minh họa bơm lý tưởng Lưu lượng lý thuyết Qt = Dpnp Qt = lưu lượng lý thuyết của bơm, m 3/s np = vận tốc quay của trục bơm, rev/s CENNITEC Bơm lý tưởng Với các giả thiết như trên của bơm lý tưởng, năng lượng cơ khí cung cấp sẽ bằng năng lượng thủy lực tạo ra trong hệ thống thủy lực, và mối quan hệ đó được trình bày theo công thức sau: 2πnpTp = Qt (Pp - Pi)= Dp np ΔP Hoặc Tp = (Dp /2π) ΔP Trong đó, Tp = mô-men kéo tại trục bơm (N.m), ΔP = Sự gia tăng áp suất do bơm (Pa). M Pi Pp ωT Qt HỆ THỐNG CENNITEC Bơm lý tưởng M Pp Pp , Q Dp n, T e, i P = 0 F v Ap Pi Hình 2.4 Minh họa sự biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực TẢIXY LANHBƠMĐỘNG CƠ ĐIỆNHỆ THỐNG ĐIỆN e i T 2πn Pp Q F v Qt= Dpnp v = Qt / Ap F, v Pp = F/ApT = DpPp/2π Sự biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực CENNITEC Bơm thực tế Công suất thủy lực cung cấp bởi bơm thực tế nhỏ hơn so với năng lượng cơ khí mà nó nhận được. Nguyên nhân là do hiệu suất thể tích, ma sát, và mất mát năng lượng thủy lực. Lưu lượng thực tế bơm cung cấp nhỏ hơn so với lưu lượng lý thuyết là do các nguyên nhân chính sau: 1. Rò rỉ bên trong bơm 2. Bơm bị xâm thực và hiện tượng tạo bọt khí 3. Dầu bị nén Q Lưu lượng lý thuyết Qt =Dpnp Qp = Qt - QL Lưu lượng thực tế Lưu lượng rò rỉ QL = P/RL Pmax P Hình 2.6 Đường đặc tính của bơm thể tích QL = P / RL Qp = Qt - QL Lực cản tạo ra bởi khe hở, RL, tỉ lệ thuận với độ nhớt của dầu, và tỉ lệ nghịch với thể tích của nó CENNITEC Bơm thực tế Hiệu suất thể tích Q Lưu lượng lý thuyết Qt =Dpnp Qp = Qt - QL Lưu lượng thực tế Lưu lượng rò rỉ QL = P/RL Pmax P Hiệu suất thể tích của bơm thường nằm trong khoảng từ 0.8 đến 0.99. Bơm piston có hiệu suất thể tích cao nhất, trong khi bơm bánh răng và bơm cánh gạt, nhìn chung, có hiệu suất thể tích thấp hơn. CENNITEC Bơm thực tế Hiệu suất cơ khí Ma sát là nguyên nhân thứ hai làm mất năng lượng của hệ thống thủy lực. Ma sát nhớt và ma sát cơ khí giữa các thành phần của bơm làm triệt tiêu năng lượng. Một phần mô-men kéo cấp cho bơm bị mất do các lực ma sát sinh ra trong quá trình bơm vận hành. Nó phụ thuộc vào vận tốc của bơm, áp suất làm việc, và độ nhớt của dầu. Để đánh giá sự mất năng lượng do ma sát, ta dùng thông số hiệu suất cơ khí, pηt, được xác định như sau: CENNITEC Hiệu suất tổng của bơm Hiệu suất tổng của bơm pηo là tỉ lệ giữa công suất nhận được và công suất cung cấp, được xác định như sau: Hiệu suất tổng Công thức trên có thể biến đổi thành Hiệu suất tổng bằng tích của hiệu suất thể tích và hiệu suất cơ khí CENNITEC Hiệu suất của bơm Ví dụ 2.1 Một bơm có thể tích riêng là 14 cm3/rev được kéo bởi một động cơ điện có vận tốc quay là 1440 rev/min và làm việc ở áp suất 150 bar. Hiệu suất thể tích của bơm là 0.9 và hiệu suất tổng là 0.8. Tính: 1. Lưu lượng của bơm cung cấp trong 1 phút (l/min) 2. Công suất cần cung cấp tại trục bơm (kW) 3. Mô-men tại trục bơm CENNITEC Hiệu suất của bơm Công suất thủy lực CENNITEC Hiệu suất của bơm 1) Lưu lượng thực tế của bơm = Hiệu suất thể tích x Thể tích riêng x Vận tốc quay = 0.9 x (14 x 10-3) x 1440 (cm3)x (l/cm3) x (rev/min)) = 18.14 (l/min) 2) Công suất cần cung cấp tại trục bơm = Công suất thủy lực / Hiệu suất tổng Công suất thủy lực tại đầu ra của bơm = Lưu lượng thực tế x Áp suất   )kW(535.4 600 15014.18 )kW( 600   pp Hydraulic PQ N CENNITEC Hiệu suất của bơm Công suất cung cấp = 4.535 / 0.8 = 5.67 (kW) CENNITEC Hiệu suất của bơm 3) Hiệu suất cơ khí = Hiệu suất tổng / Hiệu suất thể tích Mặt khác Do vậy, mô-men tại trục bơm là             Nm6.37)N/mx m( 89.014.32 101501014 23 56   pT CENNITEC Hiệu suất của bơm Bơm thể tích khác với bơm cánh dẫn ở điểm, về lý thuyết bơm sẽ cung cấp một lưu luợng cố định sau 1 vòng quay. Nếu ngõ ra của bơm thể tích vì lý do nào đó bị khóa lại, thì áp suất sẽ tăng cao rất nhanh cho đến giá trị mà bơm sẽ bị hư hỏng do gãy, vỡ. Ví dụ sau đây minh họa cho điều vừa trình bày. CENNITEC Hiệu suất của bơm Một bơm thể tích có lưu lượng là 1 l/min đẩy dầu vào một ống dẫn có thể tích là 1 lít. Nếu đầu kia của ống đột ngột bị khóa kín, tính áp suất trong ống dẫn sau 1 giây, tính từ thời điểm ống bị khóa. (Bulk modulus của dầu là 2000 MPa (20000 bar) bỏ qua sự giãn nở của ống dẫn) CENNITEC Hiệu suất của bơm Hệ số bulk modulus của dầu được tính theo công thức sau Trong đó, ΔP là độ thay đổi áp suất, ΔV là độ thay đổi thể tích, và V là thể tích ban đầu. Trước khi ống bị khóa ở đầu kia thì thể tích chất lỏng trong ống là 1 lít (bằng thể tích ống dẫn). Tính từ thời điểm ống bị khóa sau đó 1s thì thể tích dầu trong ống tăng lên một lượng đúng bằng thể tích dầu mà bơm cấp trong 1s.          V V P B CENNITEC Hiệu suất của bơm Nghĩa là ΔV = 1/60 lít Như vậy Như vậy, 333 bar là giá trị áp suất trong ống sau 1s kể từ khi ống bị khóa. Bơm thể tích được sử dụng với vai trò là bơm chính trong các hệ thống truyền động thủy lực. Nó được chia ra làm hai nhóm chính, đó là, bơm quay và bơm piston. bar333)MPa(3.33 )MPa( 1 60/1 2000     V V BP CENNITEC Bài tập chương 2-Phần I 2.1 Một bơm có thể tích riêng Dp = 1.7 cm3 được kéo ở vận tốc 1500 vòng/phút. Nếu bơm có hiệu suất thể tích là 87 % và hiệu suất tổng là 76 %, tính:  a) Lưu lượng bơm cung cấp (l/min)  b) Công suất cần để kéo bơm khi nó làm việc ở áp suất 150 bar. CENNITEC Bài tập chương 2-Phần I 2.2 Một bơm bánh răng cung cấp lưu lượng 15 l/min ở áp suất vận hành là 200 bar. Bơm được kéo ở vận tốc 1430 vòng/min. Nếu công suất cung cấp là 6.8 kW và hiệu suất cơ khí của bơm là 87 %. Tính thể tích riêng của bơm (cm3). CENNITEC Bài tập chương 2-Phần I 2.3 Hệ thống thủy lực cần lưu lượng là 32 l/min ở áp suất 260 bar. Bơm được dùng là loại bơm có thể tích riêng thay đổi được và được hiệu chỉnh bằng tay. Thể tích riêng cực đại của bơm là 28 cm3. Bơm được kéo ở vận tốc quay là 1430 vòng/phút. Hiệu suất tổng của bơm là 0.85, hiệu suất thể tích là 0.90. Tính:  a) Thể tích riêng của bơm được hiệu chỉnh ở mức bao nhiêu % so với giá trị cực đại.  b) Công suất cần để kéo bơm. CENNITEC Bài tập chương 2-Phần I 2.4 Một hệ thống thủy lực dùng 25 lít dầu trong 1 phút được cung cấp bơm có thể tích riêng là 12.5 cm3, vận tốc quay của bơm là 2880 vòng/phút. Bơm có hiệu suất thể tích là 0.85 và hiệu suất tổng là 0.75. Nếu van giới hạn áp suất của hệ thống được cài ở giá trị 180 bar, tính:  a) Lưu lượng cung cấp bởi bơm  b) Công suất cần thiết để kéo bơm  c) Mô-men kéo tại trục bơm  d) Năng lượng dư do dầu xả qua van giới hạn áp suất.  CENNITEC Hiện tượng xung ở lưu lượng bơm thể tích Qmax Qmin Qm Thời gian (s) Q Hình 2.7 Minh họa hiên tượng xung lưu lượng ở bơm thể tích Về lý thuyết, lưu lượng cung cấp bởi bơm được tính theo Qt = Dpnp. Giá trị này thể hiện giá trị trung bình của lưu lượng bơm. Thực tế, lưu lượng bơm không phải là hằng số. Từng buồng làm việc của bơm cung cấp lưu lượng đúng bằng phần giảm thể tích của nó. Lưu lượng tinh của bơm tại thời điểm xác định là tổng lưu lượng được cung cấp bởi các buồng được nối với đường hút tại thời điểm đó. Lưu lượng cung cấp bởi các buồng làm việc của bơm bắt đầu từ giá trị zero tại điểm bắt đầu của hành trình đẩy. Nó tăng dần cho đến khi đạt giá trị cực đại tại điểm giữa của hành trình. Sau đó, nó giảm dần cho đến giá trị 0 tại điểm kết thúc của hành trình đẩy dầu. Do vậy, lưu lượng tinh của bơm có dạng xung, như được minh họa theo hình dưới đây. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Đường hút Đường đẩy Buồng hút tăng thể tích khi các răng nhả khớp Buồng đẩy giảm thể tích khi các răng vào khớp 1. Thân bơm, 2. Mặt trước, 3. Trục bơm, 4. Ổ đỡ, mặt bên, 5. Bạc đạn, 6. Đĩa, 7. Ngõ vào, 8. Ngõ ra, 9. Bánh răng chủ động, 10. Bánh răng bị động. Hình 2.9 Bơm bánh răng Thể tích riêng của bơm bánh răng ăn khớp ngoài có thể tính theo công thức sau: )sin(2 22   zbmVg Trong đó, b = chiều dài răng, m. m = mô-đun răng, m. z = số răng của mỗi bánh răng. γ = góc nghiên của răng, rad. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Rò rỉ bên trong bơm bánh răng ăn khớp ngoài Rò rỉ bên trong bơm bánh răng được diễn ra theo hai hướng chính: •Qua đỉnh răng •Giữa hai mặt bên của bánh răng và mặt của thân bơm Rò rỉ qua đỉnh răng chịu sự ảnh hưởng của khe hở giữa đỉnh răng và thân bơm, số răng, và áp suất tại ngõ ra của bơm. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài - Rò rỉ qua mặt bên của bánh răng phụ thuộc vào khe hở giữa hai mặt bên của bánh răng và các mặt bên (4). - Bơm làm việc ở áp suất thấp thì lượng dầu rò rỉ qua đường này là rất nhỏ và như thế các mặt bên (4) này được cố định. Khi đó, độ mòn của các mặt bên (4) sẽ ảnh hưởng đến lượng dầu rò rỉ. - Nếu bơm làm việc ở áp suất cao thì lượng dầu rò rỉ qua đường này là đáng kể. Khi đó, bơm phải được thiết kế để có sự cân bằng thủy lực cho khe hở này. Các mặt bên (4) sẽ ép sát vào các bánh răng bằng lực thủy lực tỉ lệ thuận với áp suất. Áp suất tại ngõ ra của bơm được kết nối để tác động lên các đĩa (6). Diện tích của các đĩa này phải được tính toán hợp lý để lực tác động lên các bánh răng là vừa đủ lớn để tránh làm gia tăng lực ma sát. Bằng cách này, khe hở giữa các bánh răng và mặt bên được điều chỉnh theo áp suất ngõ ra của bơm. Trong trường hợp này, độ mòn của các mặt bên (4) không ảnh hưởng lớn đến lượng dầu rò rỉ bởi vì nó luôn được ép sát vào các bánh răng dưới tác động của áp suất. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Sự dao động của lưu lượng trong bớm bánh răng Lưu lượng tại ngõ ra của bơm bị dao động do sự thay đổi thể tích của các buồng làm việc. Tần số dao động lưu lượng của bơm bánh răng có thể tính théo công thức sau: f = 2zn Trong đó, f = tần số dao động của lưu lượng, Hz. n = vận tốc bơm, rev/s. z = số răng của mỗi bánh răng Đối với bơm bánh răng, hệ số dao động được tính theo công thức sau: %100 )1(4 cos22   z   CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Giới hạn vận tốc quay của bơm bánh răng Đối với bơm bánh răng, dầu di chuyển theo đường chu vi của các bánh răng. Khi vào bơm, dầu bắt đầu quay cùng với bánh răng và vì vậy nó bị tác động bởi lực ly tâm. Lực ly tâm này có xu hướng đẩy dầu ra xa theo phương hướng kính, và ra ngoài buồng làm việc của bơm. Do vậy, vận tốc quay lớn nhất của bơm bánh răng bị giới hạn và áp suất tại cửa vào của bơm và không quá lớn để tránh hiện tượng nêu trên. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Xét áp suất và lực ly tâm tác động lên một phần tử chất lỏng như hình trên, ta có: rFPbrdbrddPP  )( dPbrdFr  CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Lực ly tâm Fr được biết với 22 )(  rbdrrdmrFr  Vậy, drrdP 2 Lấy tích phân hai vế biểu thức trên ta có   cP r rdrdP 0 0 2 2 2 2 rPC  CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Áp suất tại ngõ vào của bơm Pi phải lớn hơn áp suất sinh ra bởi lực ly tâm PC để chất lỏng không bị đẩy ra ngoài. Do vậy, vận tốc lớn nhất của bơm bánh răng được giới hạn bởi: n 2 Ci PP    2/ 1 max iP r n  Trong đó, Pi = áp suất tại cửa vào, Pa. r = bán kính bánh răng, m. ρ = khối lượng riêng của dầu, kg/m3. CENNITEC Bơm bánh răng ăn khớp ngoài Hiện nay bơm bánh răng được chế tạo có thể tích riêng dao động từ 0.2 đến 400 cm3 và vận tốc quay được thiết kế từ 500 đến 6000 rev/min, trong một vài trường hợp đặc biệt có thể cao hơn. Hiệu suất tổng của bơm bánh răng thay đổi tùy theo nhà sản xuất và giá thành, nhưng phần lớn bơm bánh răng có hiệu suất tổng là 90% và có thể làm việc ở áp suất 300 bar. CENNITEC Bơm cánh gạt Đường hút Đường đẩy Rotor Cánh gạt Trục bơm Hình 2.11 Bơm cánh gạt hành trình đơn Bơm cánh gạt hành trình đơn Thể tích riêng của bơm cánh gạt có thể tính theo )( minmax AAbzVg  Trong đó, b = chiều cao của rotor, m. z = số buồng làm việc CENNITEC Bơm cánh gạt hành trình kép Đường hút Đường đẩy RotorCánh gạt Trục bơm Hình 2.12 Bơm cánh gạt hành trình kép Bơm này có ưu điểm là có được sự cân bằng tại trục của rotor do cùng một thời điểm có hai buồng chứa dầu có áp suất bằng nhau tác động cùng lúc lên rotor ở hai hướng đối diện nhau. Điều này làm cho bơm ít bị mòn và do vậy có tuổi thọ cao hơn so với bơm cánh gạt có hành trình đơn. Thể tích riêng của bơm cánh gạt trong trường hợp này là )(2 minmax AAbzVg  CENNITEC Bơm cánh gạt có thể tích riêng thay đổi Nút điều chỉnh lưu lượngLò xo cân bằng Nút điều chỉnh lực lò xo Hình 2.13 Bơm cánh gạt thay đổi được thể tích riêng CENNITEC Bơm piston hướng trục 1. Trục bơm, 2. Đĩa nghiêng, 3. Chân trượt, 4. Đĩa, 5. Piston block, 6. Piston, 7. Đĩa các cửa bơm, 8. Ổ chặn, 9. Lò xo Hình 2.14 Bơm piston hướng trục Thể tích riêng của bơm piston hướng trục có thể tính theo:   tan 4 2DzdVg  Trong đó, α = độ nghiên của đĩa nghiêng, rad. z = số piston CENNITEC Sự dao động của lưu lượng trong bơm piston Thời gian, s. Á p s u ấ t v à l ư u l ư ợ n g c ủ a b ơ m , P /P m v à Q /Q m Hình 2.15 Sự dao động của áp suất và lưu lượng của bơm có 5 piston Thời gian, s. Á p s u ấ t v à l ư u l ư ợ n g c ủ a b ơ m , P /P m v à Q /Q m Hình 2.16 Ảnh hưởng của số piston đến sự dao động của áp suất và lưu lượng của bơm piston CENNITEC Điều khiển bơm piston Điều khiển bằng tay (manual servo control) Chuyển động của đĩa nghiêng bơm tỉ lệ thuận với chuyển động của cần điều khiển CENNITEC Điều khiển bơm piston Bơm thường được thiết kế luôn cung cấp một lưu lượng tối thiểu để bôi trơn và làm mát (góc nghiêng của đĩa bơm luôn lớn hơn 0) CENNITEC Điều khiển bơm piston Điều khiển bằng phương pháp cân bằng áp suất (pressure-compensated control) Đĩa nghiêng của bơm được tự động điều chỉnh để thay đổi lưu lượng bơm nhằm duy trì áp suất hiệu chỉnh ban đầu. CENNITEC Điều khiển bơm piston Đường đặc tính của bơm được điều khiển bằng phương pháp cân bằng áp suất CENNITEC Điều khiển bơm piston Điều khiển công suất không đổi (constant power control) Nhằm giới hạn công suất tối đa cung cấp cho bơm. Khi áp suất làm việc tăng thì góc nghiêng của bơm dẫn đến lưu lượng cung cấp bởi bơm giảm, và công suất được duy trì không đổi CENNITEC Điều khiển bơm piston Đường đặc tính của bơm được điều khiển bằng phương pháp duy trì công suất không đổi. CENNITEC Điều khiển bơm piston Điều khiển lưu lượng không đổi (constant-flow control CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Điều khiển bơm có thể tích riêng cố định  Phần lớn các hệ thống thủy lực đơn giản đều sử dụng bơm có thể tích riêng cố định vì giá thành giảm.  Bơm được kéo bởi một động cơ điện có vận tốc quay không đổi. Nó hầu như cung cấp một lưu lượng không đổi khi động cơ họat động.  Áp suất làm việc của hệ thống được giới hạn bởi van giới hạn áp suất (relief valve) M CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Bất kỳ lưu lượng nào cung cấp từ bơm vượt qua giá trị cần của cơ cấp chấp hành đều được trả về bể chứa dầu thông qua van giới hạn áp suất này. Năng lượng thủy lực thừa này chuyển thành nhiệt năng, gây nên hiện tượng nóng dầu.  Dạng điều khiển bơm này phù hợp cho các hệ thống mà:  a) Luôn luôn cần lưu lượng của bơm  b) Lưu lượng của bơm có thể xả trực tiếp về chứa khi không cần thiết  c) Công suất tiêu hao qua van giới hạn áp suất là rất nhỏ và dễ dàng làm nguội dầu  d) Việc dừng động cơ điện là rất hiếm CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Đặc điểm b) ở trên có thể được thực hiện bởi hệ thống thủy lực dùng van phân phối tâm mở. Hệ thống này sử dụng van phân phối 4 cửa, 3 vị trí điều khiển bằng tay như hình vẽ.  Chuyển động của cơ cấu chấp hành được thực hiện bằng cách tác động vào cần gạt điều khiển van phân phối. Khi không gạt cần, các lò xo giữ van làm việc tại ví trí nghỉ.  Lưu lượng cung cấp bởi bơm về lại bể chứa dầu qua van phân phối với lực cản nhỏ. Như vậy dầu ít bị nóng hơn. M CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Điều khiển bơm dùng bình tích áp  Lưu lượng của bơm được nạp vào bình tích áp vào những thời điểm cần thiết.  Khi giá trị áp suất trong hệ thống đạt tới ngưỡng áp suất được cài đặt trước, công tắc áp suất sẽ chuyển trạng thái và ngắt nguồn điện cung cấp cho cuộn dây của van điện từ.  Lúc này, lưu lượng của bơm được xả trở về bể chứa. Đồng thời, một lượng dầu đã được nén trong bình tích áp. M Bình tích áp On/Off N g u ồ nCông tắc áp suất Đến hệ thống CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Một xy lanh thủy lực làm việc theo chu trình như sau: tiến ra trong 5s với áp suất 25 bar, lưu lượng là 12 l/min; sau đó dừng lại trong 25s với áp suất 200 bar. Tiếp theo lùi về trong 4s với áp suất 35 bar, lưu lượng là 12 l/min; dừng lại trong 26s với áp suất 200 bar. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Áp suất/lưu lượng cần cho hệ thống được trình bày ở hình vẽ. Ta thấy rằng lưu lượng chỉ cần cho 15% trên tòan bộ chu trình. Nếu sử dụng bơm có lưu lượng riêng cố định với lưu lượng là 12 l/min thì lưu lượng này phải xả qua van giới hạn áp suất được cài đặt ở giá trị 200 bar trên 85% chu trình. Á p s u ất , b ar 25 35 200 0 5 30 34 60 0 5 30 34 60 L ư u l ư ợ n g , l/ m in 12 Thời gian, s Thời gian, s CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Công suất cung cấp theo lý thuyết là Lưu lượng x Áp suất = (12/60) x 200 x 105 = 4000 Nm/s = 4 kW  Nếu sử dụng hệ thống thủy lực như hình dưới thì phần lớn năng lượng cung cấp này chuyển thành nhiệt năng khi dầu xả qua van giới hạn áp suất. M 200 bar 12 l/min CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Thể tích dầu cần cung cấp cho 1 chu trình làm việc là:  Cho hành trình đi ra = 12 x 5/60 = 1 lít  Cho hành trình đi về = 12 x 4/60 = 0.8 lít  Lượng dầu cần cho 1 phút là (1+0.8) = 1.8 lít.  Như vậy, nếu ta trữ trước dầu trong bính tích áp (lượng dầu này được cung cấp bởi bơm trong lúc cơ cấu chấp hành dừng lại)thì bơm có lưu lượng 1.8 l/min là đủ.  Tuy nhiên, vì áp suất 200 bar cần duy trì cho khoảng thời gian cơ cấu chấp hành dừng lại, nên áp suất dầu nén trong bình tích áp phải cao hơn giá trị này, ví dụ 250 bar. Khi đó áp suất trong hệ thống sẽ dao động trong phạm vi từ 200 đến 250 bar. Đây là nhược điểm của hệ thống. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm M Bình tích áp On/Off N g u ồ nCông tắc áp suất Đến hệ thống 0 5 30 34 60Thời gian, s 250 200 Việc xác định chính xác kích thước của bơm để cung cấp dầu cho cơ cấu chấp hành thực hiện đúng theo thời gian yêu cầu trong trường hợp này là rất khó. Để cho chắc chắn, ta chọn bơm có lưu lượng lớn hơn, ví dụ 2 l/min.Khi đó, công suất cung cấp cần là: [(2)x(10-3) / 60]x(250)x(105)x(10-3) = 0.83 kW Giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với khi hệ thống không sử dụng bình tích áp. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Hệ nhiều bơm  Khi hệ thống cần làm việc ở nhiều mức khác nhau về lưu lượng hoặc áp suất thì hệ điều khiển kết hợp nhiều bơm có thể được chọn. M B A E D C Đến hệ thống Van xả tải (unloader valve) Van giới hạn áp suất (relief valve) L ư u l ư ợ n g , Q Bơm A + Bơm B Chỉ có bơm A Giá trị cài bởi van giới hạn áp suất Giá trị cài bởi van xả tải Á p s u ất , P Sơ đồ về lưu lượng và áp suất của hệ thống hai bơm Hệ 2 bơm CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Một máy ép cần lưu lượng là 200 l/min ở giai đoạn làm việc vận tốc cao cho công đoạn đóng và mở khuôn với áp suất là 30 bar. Giai đoạn ép áp suất làm việc là 400 bar, lưu lượng dao động từ 12 đến 20 l/min. Công suất cần ở giai đoạn đóng/mở khuôn là: [(200x10-3)/60]x30x105 Nm/s = 10 000 Nm/s = 10 kW Nếu giai đoạn ép vẫn cùng công suất thì: q x 400 = 200 x 30 q = 15 l/min, q là lưu lượng cần cho giai đoạn ép. Áp suất cao, lưu lượng thấp = 15 l/min Áp suất thấp, lưu lượng lớn = (200 – 15) = 185 l/min. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm M A B C a b c Bơm Lưu lượng A B C 40 l/min 20 l/min 10 l/min Cuộn dây a b c Lưu lượng đến động cơ (l/min) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 Một sơ đồ hệ thống thủy lực truyền động cho băng tải được trình bày ở hình bên. Hệ thống sử dụng ba bơm có lưu lượng tương ứng là 10 l/min, 20 l/min và 40 l/min. Bằng cách thay đổi trạng thái của các cuộn dây của các van điện từ a, b, c, hệ thống có thể cung cấp 7 mức lương lượng khác nhau cho động cơ thủy lực. Hệ 3 bơm CENNITEC Truyền Động Bơm  Bơm có thể được kéo bởi động cơ điện, động cơ đốt trong hoặc động cơ dầu. Cũng có thể dùng động cơ khí nén hoặc động cơ thủy lực để kéo bơm.  Mô-men kéo của các động cơ điện và động cơ dầu tại vận tốc quay thấp là rất nhỏ. Do vậy, ở thời điểm khởi động các bơm thủy lực cần được xả tải để giảm mô-men cản cho các động cơ kéo nó. Điều này có thể được thực hiện dễ dàng bằng van giới hạn áp suất tác động gián tiếp. M Van giới hạn áp suất tác động gián tiếp CENNITEC Truyền Động Bơm  Một phương pháp dùng để giảm công suất khi kéo bơm ở thời điểm bắt đầu vận hành là dùng “airbleed van”. M Airbleed valve Nó không những dễ dàng cho việc mồi bơm và xả khí trong hệ thống mà còn cho phép bơm giảm tải tại thời điểm hệ thống bắt đầu vận hành. Ở giai đọan đầu bơm đẩy dầu về bể chứa qua airbleed van, vì lực cản do van này tạo ra rất nhỏ nên tải cần kéo bơm tại thời điểm đó cũng nhỏ. Tiếp theo áp suất của hệ thống tăng dần lên, dưới tác động của áp suất van này bị khóa lại, buộc bơm đẩy dầu lên hệ thống. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Động cơ khí nén đôi khi cũng được dùng để kéo bơm nhưng chỉ dùng cho các hệ thống có công suất tương đối nhỏ. Các ứng dụng có dùng động cơ khí nén thường là các hệ thống bơm nước có lưu lượng lớn nhưng áp suất rất thấp. M Ưu điểm: Áp suất khí nén có thể được điều chỉnh tương ứng với áp suất làm việc của bơm thủy lực mà tại đó bơm bị quá tải. Điều này làm cho hệ thống có thể duy trì áp suất nhờ động cơ khí nén đang bị nén. Việc này có thể thực hiện trong thời gian dài mà không gây ra hiện tượng mất năng lương thủy lực, và do vậy không làm nóng dầu. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Thiết kế hệ điều khiển bơm  Để chọn hệ điều khiển bơm cho một hệ thống truyền động thủy lực cụ thể đòi hỏi người thiết kế phải phân tích và nắm rõ nhu cầu về áp suất và lưu lương mà hệ thống đó cần.  Một điều mà người thiết kế luôn mong muốn đạt tới đó là tính hiệu quả của hệ thống. Các hệ thống luôn được thiết kế để họat động với năng lượng cung cấp là nhỏ nhất có thể. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Yêu cầu thiết kế  Một hệ thống thủy lực được cung cấp dầu bởi một bơm mà sơ đồ đặc tính về lưu lượng và áp suất trong một chu kỳ làm việc được mô tả ở hình sau. Thời gian để thực hiện hết một chu trình là 30s. Hệ thống chỉ cần lưu lượng trong một phần hai chu trình. Nhưng thời gian cần duy trì áp suất chiếm 2/3 trên tổng số thời gian. Bốn phương pháp điều khiển được xem xét là:  1) Sử dụng bơm có thể tích riêng cố định  2) Sử dụng 2 bơm có thể tích riêng cố định  3) Sử dụng hệ thống bình tích áp  4) Sử dụng bơm có thể tích riêng thay đổi được. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm 5 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25 300 50 100 150 0 5 10 15 20 25 30 25 l/min 20 l/min 150 bar 100 bar L ư u l ư ợ n g , l/ m in Á p s u ất , b ar Sơ đồ về lưu lượng và áp suất trong một chu kỳ làm việc CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Yêu cầu đặt ra có thể thực hiện được bằng hệ thống thủy lực ở hình.  Từ giây thứ 15 đến giây thứ 20 (cũng như từ giây 0 đến giây 5), cơ cấu chấp hành không cần lưu lượng cũng như áp suất.  Điều này thực hiện được khi van phân phối làm việc ở vị trí trung tâm. Khi đó, lưu lượng của bơm chảy trực tiếp về bể chứa dầu với áp suất bằng 0. M 165 bar CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Lưu lượng lý thuyết của bơm là 25 l/min. Tuy nhiên, để đảm bảo an tòan thông thường giá trị này được cộng thêm khỏang chừng 10%. Vậy lưu lượng thực của bơm là 27.5 l/min.  Áp suất gây ra bởi tải là 150 bar.  Van giới hạn áp suất phải chỉnh lớn hơn áp suất gây ra bởi tải 10%. Như vậy, áp suất lớn nhất bơm sẽ chịu là 150 + 10%= 165 bar  Chọn động cơ điện để kéo bơm có vận tốc quay là 1440 rev/min. Như vậy, tại vận tốc quay là 1500 rev/min lưu lượng của bơm là 27.5 x (1500/1440) = 28.7 l/min. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Dạng bơm Vận tốc (rev/min) Thể tích riêng (cm3) Áp suất (bar) Minimum Maximum Lưu lượng tại 1500 rev/min OPL 003 1.22 280 500 4000 1.50 OPL 004 1.63 280 500 4000 1.95 OPL 006 2.18 280 500 4000 2.91 OPL 008 2.87 280 500 4000 3.95 OPL 011 3.81 280 500 4000 5.32 OPL 013 4.46 280 500 4000 6.27 OPL 015 5.14 280 500 4000 7.27 OPL 019 6.26 280 500 4000 8.95 OPL 025 8.08 225 500 4000 11.73 1PL 020 7.02 250 500 3000 10.13 1PL 028 9.46 250 500 3000 13.72 1PL 036 11.89 250 500 3000 17.32 1PL 044 14.33 250 500 3000 20.95 1PL 052 16.76 250 500 3000 24.50 1PL 060 19.20 250 500 3000 28.10 1PL 072 22.84 210 500 3000 33.60 1PL 090 28.12 175 500 2500 41.50 2PL 050 16.66 250 500 2500 24.36 2PL 070 22.71 250 500 2500 33.45 2PL 090 28.77 250 500 2500 42.45 2PL 105 33.23 250 500 2500 49.10 2PL 120 37.85 250 500 2500 55.91 2PL 146 45.50 210 500 2500 67.32 2PL 158 49.35 210 500 250 73.05 CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Các bơm theo tiêu chuẩn có thông số gần với kết quả tính tóan là:  a) Bơm 1PL 060 với lưu lượng cung cấp tại vận tốc 1500 rev/min là 28.1 l/min (tương đương với 27 l/min tại vận tốc 1440 rev/min). Áp suất có thể làm việc đến 250 bar.  b) Bơm 1PL 072 với lưu lượng cung cấp tại vận tốc 1500 rev/min là 33.6 l/min (tương đương với 33.2 l/min tại vận tốc 1440 rev/min). Áp suất có thể làm việc đến 210 bar.  Như vậy, lựa chọn a) là phù hợp với yêu cầu mà hệ thống cần. Khi chọn bơm này, công suất động cơ điện dùng để kéo bơm phải là: (27 x 165)/600 = 7.4 kW  Từ giây thứ 5 đến giây thứ 10 hệ thống cần lưu lượng là 25 l/min và áp suất lớn nhất là 150 bar, do vậy năng lượng cần cấp là: (25 x 150)/600 = 6.25 kW  Năng lượng thủy lực cần từ giây thứ 10 đến giây thứ 30 là: (20 x 100)/600 = 3.3 kW CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Vì bơm được sử dụng là lọai có thể tích riêng cố định (bơm luôn cung cấp lưu lượng khi động cơ họat động). Do vậy, mặt dù từ giây 10 đến giây 15 cơ cấu chấp hành không nhận lưu lượng, nhưng áp suất trong suốt thời gian này vẫn yêu cầu duy trì ở giá trị 150 bar. Nên bơm vẫn phản nén dầu lên hệ thống. Tuy nhiên tòan bộ lượng dầu này phải xả về bể chứa qua nhánh van giới hạn áp suất (mục đích của việc cấp dầu lúc này là duy trì áp suất) M 165 bar 27 l/min 27 l/min CENNITEC Các mạch điều khiển bơm 1 2 3 4 5 6 7 8 5 10 15 20 25 30 6.25 7.4 Năng lượng cần Năng lượng cung cấp Năng lượng dư Time (s) N ăn g l ư ợ n g ( k W ) 3.3 Phần gạch chéo trong hình thể hiện năng lượng cung cấp bị thừa. Năng lượng dư này sẽ biến thành nhiệt năng. Năng lượng lý thuyết được cung cấp bởi động cơ là 7.4 kW cho thời gian làm việc là 20s. Nhưng năng lượng tạo ra công được dùng giữa giây thứ 5 và 10, và giữa giây thứ 20 và 30. Như vậy Năng lượng cung cấp lý thuyết là: 7.4 x 20 = 148 kJ Năng lượng sử dụng có ích là (6.25 x 5/2) + (3.3 x 10/2) = 32.12 kJ Hiệu suất của hệ thống là: (32.12 x 100)/148 = 21.7 % CENNITEC Các mạch điều khiển bơm Sử dụng hai bơm có thể tích riêng cố định M 22.9 l/min 5.7 l/min 165 bar 165 bara bKhi sử dụng hai bơm có lưu lượng cố định, một bơm dùng để cấp lưu lượng lớn và một bơm dùng để cấp lưu lượng nhỏ. Hai bơm được chọn có lưu lượng là 20 l/min và 5l/min. Để an tòan, lưu lượng của bơm nên cao hơn 10% so với lưu lượng cần. Vì vậy, hai bơm nên có lưu lượng là 22 l/min và 5.5 l/min. CENNITEC Các mạch điều khiển bơm  Lưu lượng thực tế của hai bơm sau khi chọn theo catalog của nhà sản xuất là 22.9 l/min