169 Hình 5.19. Bơm piston hớng kính điều chỉnh đợc có gối tựa của piston lên stato kiểu áp lực thuỷ tĩnh. Hình 5.20. Sơ đồ động lực học của máy piston hớng kính. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 170 Dẫn động blốc xi lanh 4 đợc thực hiện nhờ trục 17 qua khớp nối kiểu vấu 16, nó có tác dụng giải phóng blốc khỏi tác dụng của các lực hớng kính từ đầu ngoài của trục. Trên hình 5.19 là bơm piston hớng kính áp suất cao, áp suất cho phép ở chế độ khai thác lâu dài khoảng p B 2530 Mpa và quá tải ngắn tới p B =50 MPa. Điểm khác biệt của nó là có các kết cấu giải toả tải trọng thuỷ tĩnh ở tất cả các cặp ma sát, chúng nhận các lực hớng kính chủ yếu. Những cặp nh vậy gồm có các gối tựa của piston 9 đợc làm có dạng guốc trợt kiểu thuỷ tĩnh, ngõng trục phân phối 15 với các túi (rãnh) cân bằng áp lực thuỷ tĩnh 8. Để tránh gián đoạn và lật guốc trợt khi khởi động bơm và khi có độ chân không trong các xi lanh, trên mép guốc trợt có đặt vành hãm 1. Sơ đồ kết cấu giải toả áp lực thuỷ tĩnh của piston và của ngõng trục đợc trình bày ở hình 5.21. Chất lỏng từ khoang xi lanh 1 qua lỗ 2 (H. 5.21, a) ở trên piston và cột chống của guốc trợt đợc đa đến khoang 3 ở đáy đế guốc, khoang 3 đợc làm kín nhờ vành khăn 4. Các kích Hình 5.21. Kết cấu cân bằng lực thuỷ tĩnh của rô to và gối tựa của piston trong các máy piston hớng kính. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 171 thớc của khoang và vành khăn đợc xác định sao cho lực áp suất tác dụng lên các bề mặt của chúng bằng với lực áp suất lên piston [1]: )d/dln(2 )d/d(1 4 d p 4 d p 2 a 2 g 2 g 2 a 2 g 2 p . (5.42) Vế trái của phơng trình là lực áp suất chất lỏng lên piston, vế phải- lực áp suất phân bố trên bề mặt giới hạn bởi rãnh thoát 5, nó thong với khoang trong vỏ và không có áp suất. Nh vậy, lực áp suất lên piston đợc truyền cho vành 7 của stato không do tiếp xúc vật liệu của hai chi tiết mà bằng lực áp suất chất lỏng, nên thực tế không có tiếp xúc các bề mặt ở áp suất bất kì. Để cân bằng các lực li tâm của piston, không phụ thuộc áp suất, gối tựa thuỷ tĩnh đợc bao bởi bề mặt tựa 6, đó là gối đỡ thuỷ động lực có khả năng nâng phụ tỉ lệ với các lực li tâm và vòng quay. Trên hình 5.21, b biểu diễn trục phân phối kết cấu tơng tự nh mô tả ở hình 5.19. Để cân bằng thuỷ tĩnh blốc 8 trên cổ trục 10 có bố trí các túi cân bằng 11. Chúng đợc thông với các cửa sổ nằm đối diện áp suất cao 9 và áp suất thấp 12 nhờ các lỗ thông 13. Từ sơ đồ thấy, khi xác định đúng kích thớc các túi và các dải làm kín đợc giới hạn bằng các rãnh thoát 14, lực hớng kính tác dụng lên blốc và có xu hớng dịch nó về phía áp suất cao có thể đợc cân bằng bằng các lực áp suất chất lỏng không cần có sự tiếp xúc của các bề mặt ma sát giống nh đối với guốc trợt. Để các cặp cân bằng thuỷ tĩnh làm việc bình thờng, các ngoại lực tác dụng lên chúng mà không phải xuất phát do áp lực thuỷ tĩnh phải nhỏ. Để nh vậy, blốc 13 (hình 5.19) đợc dẫn động bằng trục 2 có ổ đỡ riêng 3 thông qua khớp vấu kép 4. Sử dụng cơ cấu cân bằng thuỷ tĩnh là cách cơ bản để nâng áp suất làm việc của máy thuỷ lực thể tích. Tải trọng lên các chi tiết trong các máy thuỷ lực hớng kính do lực áp suất chất lỏng F p =Sp, tác dụng lên piston quyết định (S- diện tích đỉnh piston). Các lực tác dụng lên piston thể hiện trên các hình 5.19 và 5.20. Lực F p từ phía chất lỏng trong xi lanh ép piston vào stato. Phản lực stato F có hớng vuông góc với bề mặt của nó tới tâm O. Thành phần theo đờng tâm xi lanh cân bằng với lực áp suất F p , thành phần ngang F T cân bằng với phản lực thành xi lanh và tạo ra mô men M T.xl đối với trục O. Trong bơm, mômen động cơ tạo ra dùng để khắc phục tổng M T.xl của các xi lanh, còn trong mô tơ thuỷ lực tổng các mômen này do chất lỏng tạo ra để khắc phục mômen cản trên máy đợc dẫn động. Trị số mômen tức thời của một xi lanh M T.xl =F T (r+x)=pStg(x+r). Vì nh đã nói ở trên, x=e(1-cos), e<<R và do đó tgsin=(e/R)sin, M T.xl pSesin(1-e/Rcos)pSesin. (5.43) Mômen tác dụng lên blốc từ tất cả các xi lanh là tổng của các M T.xl : 0 2 12xl.TT sinSepsinSepMM . Giá trị trung bình của tổng côsin các góc, khác nhau một số nguyên lần bớc góc 2/z giữa các xi lanh liên tiếp, trong giới hạn 0<< bằng z/. Do đó M=(p 2 -p 1 )2eSz/(2)=p B V 0 /(2). (5.44) Phụ thuộc (5.44) là gần đúng và có dạng tơng tự nh (5.41) thu đợc bằng phơng pháp cân bằng năng lợng. Trong thực tế, khi so sánh (5.43) với công thức tính http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 172 sản lợng (5.19), có thể thấy, mômen do các piston tác dụng lên blốc xi lanh cũng có cùng độ không đồng đều nh lu lợng, nó phụ thuộc vào số xi lanh. Ngoài thành phần không đều thuần tuý về hình học, là tổng của các hàm điều hoà, độ không đều thực tế của mômen, cũng nh sản lợng, nghiêm trọng hơn do tính chịu nén của chất lỏng, trễ của hệ thống phân phối và xung áp suất trong các đờng ống. Do đó độ không đều thực tế của mômen, cũng nh đối với lu lợng, có thể vợt giá trị lí thuyết nh xác định ở 5.2.4. Điều này đặc biệt không mong muốn ở các mô tơ thuỷ lực, chúng phải tạo đợc mômen có độ không đều nhỏ để đảm bảo độ đều hành trình cơ cấu đợc dẫn động. Các lực áp suất F p ở các xi lanh tổng hợp lại và tạo thành vec tơ lực chính F R tác dụng trong mặt phẳng vuông góc trục quay. Xây dựng véc tơ chính thể hiện trên hình 5.22. Từ hình vẽ thấy z2 sin2 1 )pp(SFFF 121R2RR . (5.45) Lực F R tác dụng lên cổ trục 15 (hình 5.19) và qua guốc 14, vành stato 11 lên vỏ 12 mà trên đó gắn trục 15. Do các số xi lanh thông với vùng áp suất cao và áp suất thấp thay đổi, lực F R , với độ lớn không đổi, thay đổi hớng tác dụng. Những thay đổi này diễn ra với tốc độ lớn và là nguồn gốc dao động, gây tiếng động và đôi khi cả xâm thực kim loại trong các khe làm kín. Để giảm nhẹ quá trình thay đổi áp suất và đồng thời giảm tốc độ thay đổi lực chính, các xi lanh thông với các khoang 5 và 7 (hình 5.19) tại các thời điểm ban đầu qua các rãnh tiết lu 6. Nhờ vậy mà các quá trình thay đổi áp suất và xung lực F R bị chậm lại. Các tính chất chung nói trên cho các máy thuỷ lực piston về tính không đều của lợng cấp, mômen và lực có ở tất cả các máy thuỷ lực thể tích làm việc theo nguyên tắc nạp và xả theo định lợng. Đó là các nhợc điểm của các máy loại này. 5.4.2. Mô tơ thuỷ lực piston hớng kính mômen lớn Một trong các dạng quan trọng và phổ biến của máy thuỷ lực hớng kính là mô tơ thuỷ lực mômen lớn. Chúng đợc sử dụng trong các bộ truyền động thuỷ lực thể tích mà phải đảm bảo vòng quay cơ cấu đợc dẫn động chậm, đều và điều chỉnh đợc không phụ thuộc vào mômen cản của nó. Để có đợc mômen lớn mà không tăng kích thớc của môtơ một cách đáng kể, tức là hành trình h và đờng kính piston d p , không tăng nhiều áp suất cũng nh số piston thì phải tính đến số lần tác dụng k của piston. Khi đó ezk.2.S 2 )pp( 2 V)pp( M 12012 . (5.46) http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 173 Thờng k=68. Những mô tơ nh vậy cho phép có vòng quay từ gần một cho đến vài trục vòng phút. Trên hình 5.22 đa ra kết cấu mô tơ thuỷ lực sáu lần tác dụng với mời một piston. Các lực áp suất hớng kính của blốc xi lanh 4 tác dụng lên các ổ 7 và 12. Các piston tì lên stato 1 bằng các con lăn với ổ chao 2 còn các lực ngang truyền cho blốc xi lanh bằng các con trợt 6. Để tránh tách rời các con lăn 3 khỏi stato 1 khi vòng quay nhỏ ở khu vực áp suất thấp và va đập với stato ngời ta sử dụng vấu dẫn hớng đối lại 9 ở bên dới con lăn 3. Trong mô tơ có hệ thống phân phối đầu mặt phẳng tự chỉnh để bảo đảm làm kín với blốc xi lanh. Trên vòng phân phối đầu mặt 10 có 2z cửa sổ vòng cung 5 lần lợt thông với các khoang B và A. Trong nửa chu kì góc 2/(2k), khi mà piston đi vào thì lỗ 8 của xi lanh thông với cửa sổ khoang A, còn nửa chu kì kia khi piston đi ra- với cửa sổ khoang B. Tơng tác lực của piston với stato xét ở hình 5.20. Để vòng phân phối 10 có thể tự chỉnh theo bề mặt blốc xi lanh, nó đợc đặt và ép vào blốc nhờ các cốc 11 có các đệm cầu bảo đảm kín khi vòng phân phối bị xiên theo mặt blốc. Đồng thời các cốc nối các cửa 5 với các khoang dẫn chất lỏng đến B và đi A. 5.4.3. Máy thuỷ lực piston hớng trục Máy thuỷ lực piston hớng trục khi truyền cùng một công suất có kích thớc nhỏ gọn nhất so với các loại máy thuỷ lực piston khác và, do đó có khối lợng nhỏ nhất. Có các bộ phận công tác với kích thớc hớng kính bé nên mômen quán tính nhỏ, chúng có khả năng thay đổi vòng quay nhanh. Nhờ những tính chất đặc biệt này mà chúng đợc sử dụng rộng rãi làm các bơm điều chỉnh và không điều chỉnh đợc, các mô tơ thuỷ lực cho các bộ truyền động trên các phơng tiện di động nói chung và trên tàu thuỷ nói riêng tàu. Theo sơ đồ động học- yếu tố cơ sơ của kết cấu, các máy rô to piston hớng trục đợc phân thành máy có blốc xi lanh nghiêng (hình 5.23, 5.24) và kiểu có đĩa nghiêng (hình 5.25). Hình 5.22. Mô tơ thuỷ lực piston hớng kính nhiều tác dụng. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 174 Trong các máy blốc nghiêng (hình 5.23) tâm trục quay 4 của blốc xi lanh 24 nghiêng so với tâm trục 1. Trong đĩa dẫn động 2 có lắp các đầu hình cầu 12 của biên 10, biên cũng liên kết với piston 8 nhờ khớp cầu 9. Khi blốc và trục quay quanh tâm của chúng, piston chuyển động tịnh tiến tơng đối so với xi lanh. Sự quay đồng bộ của trục và blốc là do các tay biên, chúng lần lợt đi qua vị trí lệch cực đại so với đờng tâm piston (xem hình 5.26), ép lên váy 1 và truyền chuyển động quay cho blốc xi lanh. Để nhận lực, váy piston đợc làm dài và thân biên 2 đợc làm côn chính xác. Trong máy thuỷ lực trình bày ở hình 5.24, để quay blốc xi lanh 12 có trục phụ trợ 13 với hai cầu của các khớp các đăng cho nên piston đợc làm ngắn còn các biên đợc làm có dạng đơn giản. Cả hai hệ thống quay blốc này đều không phải các hệ động lực vì chúng không truyền mômen chính của các lực áp suất lên piston. Chúng chỉ có tác dụng khắc phục các mômen ma sát đặt vào blốc và mômen quán tính của blốc khi thay đổi vòng quay của máy. Khác với các trờng hợp trên, trong các máy với đĩa nghiêng (hình 5.25), blốc xi lanh 1 với các piston 9 quay cùng trục 4. Các piston tựa lên đĩa nghiêng 11 và nhờ đó mà chuyển động tịnh tiến. Mômen để quay blốc xi lanh ở đây còn phải khắc phục đợc mômen của các lực áp suất. Các quan hệ động lực học trong các máy hớng trục. Từ việc xét sơ đồ động học của hai loại máy (hình 5.28 và 5.29) có thể thấy cơ cấu của chúng là dạng đảo không gian của cơ cấu biên khuỷu. Trên hình 5.28 chuyển dịch của piston tính từ điểm chết trong B xx=h/2-Oa= )cos1(sinD 2 1 sincosD 2 1 sinD 2 1 ddd . (5.47) Biểu thức trên đúng nếu góc nghiêng của biên (so với đờng tâm piston) do có chênh lệch của D r và D d nhỏ, điều này phù hợp với kết cấu các máy đã đợc chế tạo. Tỉ lệ D d /D r =2/(1+cos) (5.48) phụ thuộc vào góc . Khi đảm bảo s-s=t-t thì các hình chiếu của các vòng tròn đờng kính D r và D d lên mặt phẳng m-m bằng nhau, góc lệch của các biên khi l b D r nhỏ và đều nhau. Chuyển dịch của piston tính từ B (hình 5.29) x=h/2-Oc=(D r /2)tg-(D r /2)costg=(D r /2)tg(1-cos). (5.49) Từ các biểu thức (5.47) và (5.49) thấy rằng, các máy piston hớng trục về động học tơng đơng với cơ cấu biên khuỷu. Tốc độ và gia tốc piston sẽ có dạng nh (5.17) và (5.18) nếu thay h=D r tg đối với máy có đĩa nghiêng, hoặc h=D d sin đối với máy blốc nghiêng. Các máy này có thể tích công tác tơng ứng bằng V 0 =SD r tg.z; (5.50) V 0 =SD d sin.z. (5.51) http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 175 H×nh 5.23, a. M¸y piston híng trôc cã blèc xi lanh nghiªng kh«ng ®iÒu chØnh ®îc. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 176 Do giống nhau về động học nên tất cả các tính chất về độ không đều lu lợng của các máy rô to piston hớng trục cũng tơng tự nh bơm piston với cơ cấu biên khuỷu. Trong các bộ truyền động thuỷ lực đều đòi hỏi độ đều của sản lợng cao, do đó số xi lanh thờng từ 79. Xét các sơ đồ động học trên các hình (5.28) và (5.29) kết hợp với các hình (5.26) và (5.27) mà trên đó có biểu diễn các lực tác dụng lên piston, có thể thành lập biểu thức tính mômen do lực tác dụng của một piston đối với tâm quay: đối với máy có blốc nghiêng M T.xl =F T Oc=pS(D d /2)sinsin; đối với máy có đĩa nghiêng M T.xl =F T Oc=pS(D r /2)tgsin. Các công thức này, nếu thay hành trình h của piston vào, tơng tự nh (5.43). Mômen tổng trung bình, tơng tự nh (5.41): M T =p b V 0 /(2). (5.52) Nh vậy, các kết luận về các xung của mômen quanh giá trị trung bình nêu ở 5.4.1 vẫn giữ nguyên đối với các máy hớng trục. Xét cơ chế biến đổi của mômen đặt trên trục bơm thành lực dọc tâm piston để nén chất lỏng hoặc cơ chế chuyển lực áp suất thành mômen trên trục của mô tơ thuỷ lực, có thể thấy các quá trình này trong hai kiểu máy piston hớng trục không giống nhau. Hình 5.23, b. Máy piston hớng trục blốc xi lanh nghiêng điều chỉnh đợc. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 177 Hình 5.24. Bơm piston hớng trục với các đăng kép phụ trợ và bộ điều chỉnh- hạn chế áp suất. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 178 H×nh 5.25. B¬m piston híng trôc ®iÒu chØnh ®îc víi ®Üa nghiªng. http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com . có dạng V 0 =(2kR-z)2eb, (5. 58) trong đó k-hệ số hiệu chỉnh thu đợc tè việc xét chính xác qui luật chuyển dịch của cánh khi rô to quay: z 3 5 7 9 11 k 0 ,82 7 0,936 0,9 68 0, 980 0, 986 Nếu các khoang. kết cấu các máy đã đợc chế tạo. Tỉ lệ D d /D r =2/(1+cos) (5. 48) phụ thuộc vào góc . Khi đảm bảo s-s=t-t thì các hình chiếu của các vòng tròn đờng kính D r và D d lên mặt phẳng m-m bằng nhau,. bình, đối với các máy blốc nghiêng =(Q lt -q rl -q x -q 0 )/Q lt =0,950,97 và đối với các máy đĩa nghiêng =0,930,95. Trị số nhỏ hơn và ứng với độ cứng của đặc tính nhỏ hơn ở các máy đĩa nghiêng