Chương 5

Truyền động thuỷ lực thuỷ động

1 Khái niệm chung về truyền động thuỷ lực

Muốn truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận làm việc của máy ngoài cách dùng truyền động cơ khí điện, khí nén, trong vài chục năm gần đây ngưòi ta còn dùng nhiều một loại truyền động mới là truyền động thuỷ lực. Truyền động thuỷ lực dùng môi trường chất lỏng để làm khâu trung gian truyền cơ năng.

• Nó xuất hiện do yêu cầu truyền công suất lớn với ổn định dễ tự động hoá và điều khiển từ xa mà các loại truyền động khác chưa đáp ứng được.

• Thực ra mỗi loại truyền động nếu ở trên đều có các ưu nhược điểm riêng, tuỳ theo yêu cầu làm việc của từng loại máy mà sử dụng cho thích hợp.

Như trước ta đã nói theo nguyên lý làm việc, truyền động thuỷ lực được chia thành truyền động thuỷ lực động và truyền động thuỷ lực tĩnh. Chúng có đặc điểm làm việc và phân vi sử dụng có khác nhau.

Ta có thể nêu các đặc điểm chung của truyền động thuỷ lực

1. Để thực hiện việc điều chỉnh vô cấp và tự động điều chỉnh vận tốc chuyển động của bộ phận làm việc trong các máy, ngay cả khi máy làm việc.

2. Truyền động được công suất làm việc lớn.

3. Cho phép đảo chiều chuyển động bộ phận làm việc của máy dễ dàng.

4. Có thể cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào sự biến đổi của tải trọng ngoài.

5. 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 hệ thống tự động.

6. Do chất lỏng làm việc trong truyền động thuỷ lực chủ yếu là dầu khoáng nên dễ có điều kiện bôi trơn tốt các chi tiết.

7. Truyền động êm, hầu như không có tiếng ồn ào.

8. Có thể đề phòng sự cố khi máy quá tải.

Tuy nhiên, truyền động thuỷ lực cũng có những nhược điểm hạn chế phạm vi sử dụng nó như:

1. Vận tốc truyền động bị hạn chế vì phải đề phòng hiện tượng va đập thuỷ lực, tổn thất côt áp tổn thất công suất lớn và xâm thực.

2. Khó làm kín các bộ phận làm việc: Chất lỏng làm việc đễ bị rò rỉ hoặc không khí bên ngoài để lọt vào, làm giảm hiệu quả và tính chất làm việc ổn định của truyền động. Muốn khắc phục nhược điểm này cần có các kết cấu phức tạp và chế tạo khó khăn.

3. Yêu cầu đối với chất lỏng làm việc thưòng phức tạp ( để tránh rò rỉ hoặc tổn thất nặng lượng nhiều và ít thay đổi khi nhiệt độ, áp suất thay đổi, hệ số chịu nén nhỏ, ổn định và bền vững về mặt tính chất hoá học, khó bị ôxi hoá, khó cháy,ít hoà tan khí và hơi nước, không ăn mòn kim loại, không độc v.v...Dầu khoáng dùng trong truyền động thuỷ lực dễ cháy nên cần chú ý đến sự làm nguội máy.

Do truyền động thuỷ lực có nhiều ưu điểm như đã nói ở trên nên càng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nhưng do nó có một số nhược điểm nên trong truyền động ngày nay người ta dùng các loại truyền động liên hợp như truyền động thuỷ cơ, điện thuỷ cơ, thuỷ khí cơ v.v...

ở nước ta tuy ngành vận taỉ biển mới phát triển, số lượng tàu và đặc biệt các tàu hiện đại còn ít, nhưng trên nhiều tàu đã có nhiều máy ứng dụng truyền động thuỷ lực. Chúng ta hãy khảo sát từng loại truyền động đã nêu.

2 Truyền động thuỷ động (Truyền động tuốc bin )

2.1 Sơ đồ nguyên lí, kết cấu và nguyên lí làm việc của truyền động thuỷ động.

Truyền động thuỷ động thực hiện sự nối ghép đàn hồi giữa động cơ và bộ phận làm việc của thiết bị dùng để biến đổi tốt nhất năng lượng của động cơ với mục đích sử dụng tốt nhất thiết bị theo công dụng.

Truyền động thuỷ động là một thiết bị tổng hợp trong đó có hai máy thuỷ lực cánh dẫn: bơm li tâm và tua bin thuỷ lực.

Truyền động thuỷ động ra đời từ đầu thế kỉ thứ 20 xuất phát từ việc tìm phương pháp truyền công suất lớn với vận tốc cao của động cơ đến chân vịt tàu thuỷ.

Hình vẽ trên biểu diễn sơ đồ nguyên lí truyền động thuỷ động đầu tiên ( dùng năm 1907 trên hạm đội ) để truyền và biến đổi mô men quay.

Nguyên lý hoạt động :

Động cơ (1) kéo bơm li tâm (2) quay, bơm hút chất lỏng trong thùng chứa (9) lên qua ống hút (10) rồi đẩy lên ống nối (3), qua bộ phận dẫn hướng (5) của tuốc bin (70) làm bánh công tác của tuốc bin quay, kéo theo chân vịt (6) quay. Chất lỏng chảy qua tuốc bin trở về thùng chứa qua ống ra (8).

Với sơ đồ đó, ta thấy ngay hiệu suất chung của tổ hợp máy thấp, không thể vượt quá 70% (vì hiệu suất riêng qua bơm, tuốc bin và các ống nối, mỗi bộ phận đạt khoảng 85%).

Mặt khác cồng kềnh, nặng và đắt tiền.

Do đó, Fốttinghe (Fottinger, người Đức) đã có ý nghĩ ghép bánh bơm và ống dẫn mối nối và các bộ phận phụ.

Trên cơ sở đó, người ta thực hiện hai kết cấu truyền động thuỷ động khác nhau rõ rệt:

• Khớp nối thuỷ : Sơ đồ làm việc của truyền động mô men quay từ trục dẫn qua trục bị dẫn mà không biến đổi mô men đó.

• Biến tốc thuỷ lực: dùng để biến đổi mô men quay của động cơ và truyền năng lượng của mô men này lên trục tuốc bin (trục bị dẫn).

Bởi vậy, biến tốc thuỷ lực được dùng đồng thời là hộp giảm tốc và là nối trục thuỷ lực chỉ thực hiện sự nối ghép đàn hồi.

2.2 Các thông số cơ bản

a. Công suất

Công suất làm việc trên trục dẫn (tức trục bơm) của truyền động thuỷ động là:

Q - Lưu lượng chất lỏng từ bánh bơm vào bánh tuốc bin

HB - Cột áp do bánh bơm tạo ra

B - Hiệu suất của bánh bơm

P - Hiệu suất của bánh phản ứng (trong khớp nối thuỷ lực không có đại lượng này)

 - Trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc

Công suất làm việc của trục bị dẫn ( tức trục bánh tuốc bin ) là:

NT =  QHB .T (6.2)

Trong đó:

T - Hiệu suất của bánh tuốc bin

Thay trị số của HB trong (6.1) vào (6. 2) ta có:

NT = B . T . P . NB (6.3)

Nếu gọi  = B . T . P là hiệu suất toàn phần của truyền động thuỷ động, thì ta có:

(6.4)

ở đây ta vẫn có hệ thức :  = H . Q . C như ở chương mở đầu

b. Tỷ số truyền

Tỷ số truyền i của truyền động thuỷ động là tỉ số giữa vòng quay bánh tua bin (trục bị dẫn) với số vòng quay bánh bơm (trục dẫn)

(6.5)

Trong truyền động thuỷ động, công thức định nghĩa tỉ số truyền thường ngược với công thức tính trong chi tiết máy.

c. Hệ số biến tốc

Hệ số biến tốc K (hoặc hệ số biến đổi mô men) của biến tốc thuỷ lực là tỉ số giữa mô men quay tác dụng lên trục bánh tuốc bin với mô men tác dụng lên bánh bơm

(6.6 )

Vì

nên (6.7)

tức  = K . i (6.8)

2.3. Các phương trình cơ bản của truyền động thuỷ động

ứng dụng các phương trình cơ bản của máy thuỷ lực cánh dẫn (xem phần các máy thuỷ lực cánh dẫn) để nghiên cứu chuyển động của chất lỏng trong truyền động thuỷ động, ta có các phương trình sau

Từ phương trình mô men của thiết bị cánh dẫn ta có thể viết (xem hình 6.2 )

Đối với bánh bơm

Đối với bánh tua bin:

Đối với bánh phản ứng:

• Q - Lưu lượng của chất lỏng làm việc trong truyền động thuỷ động

• C1u, C2u, C3u,C4u, C5u, C6u- hình chiếu của các vận tốc tuyệt đối trên phương diện của vận tốc vòng tại các mặt cắt tương ứng của các bánh.

• D1, D2.....D6 - Đường kính tại điểm giữa các mặt cắt tương ứng của các bánh.

Ta chú ý rằng

• Trong bánh bơm mô men động lượng của dòng chất lỏng được tăng lên, do đó MQ > 0.

• Trong bánh tuốc bin mô men, động lượng đó giảm đi do đó MT < 0.

• Còn trong bánh phản ứng mô men MP có thể dương hoặc âm tuỳ theo mô men bánh hay ngược lại.

Cộng đại số phương trình mô men các bánh ta có:

(6.9)

Muốn có hiệu suất cao trong truyền động thuỷ động các bánh được bố trí sát nhau nên dòng chảy tuần hoàn khép kín giữa chúng. Do đó có thể coi không có sự biến đổi mô men động lượng tong khe hở giữa các bánh của truyền động thuỷ động.

Khi đó phương trình chuyển động của chất lỏng qua khe hở có dạng:

Cu . D = Const

Vì vậy ta có thể viết:

C1u . D1 = C6u . D6 ;

C2u . D2u = C3u . D3 ;

C4u . D4u = C5u . D5 ;

Thay các biểu thức này vào các phương trình (6.1) ta có phương trình mô men ở mọi chế độ làm việc của truyền động thuỷ động

MB + MP + MT = 0 (6.10)

Nghĩa là tổng đại số các mô men quay của các bánh trong truyền động thuỷ động bằng không.

Phương trình công suất và cột áp : ở chế độ làm việc ổn định

• Bánh bơm của truyền động thuỷ động liên tục cung cấp cho dòng chất lỏng làm việc công suất NB.

• Phần lớn của các công suất này truyền cho trục bị dẫn qua bánh tuốc bin gọi là NT

• Phần công suất còn lạI N = NB - NT dùng để khăc phục sức cản do sự chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc của truyền động thuỷ lực

Như vậy ở mọi chế độ làm việc ổn định, khi bánh phản ứng là cố định, phương trình cân bằng năng lượng (công suất ) có thể viết dưới dạng:

NB = NT - NW (6.11)

Trong đó:

• NB = .Q.HB : Công suất thuỷ lực do bánh bơm cung cấp cho dòng chất lỏng

• NT = .Q.HT : Công suất thuỷ lực do bánh tuốc bin nhận được của dòng chất lỏng

Nếu bỏ qua tổn thất lưu lượng do rò rỉ qua khe hở giữa các bánh (thực tế lượng này rất nhỏ) và thay trị số công suất vào phương trình (6.11) ta có:

.Q.HB = .Q.HT + .Q.hW  HB = HT + hW (6.12)

Công thức trên có nghĩa là hiệu số cột áp của bánh bơm và bánh tua bin dùng để khắc phục tổn thất thuỷ lực trong buồng làm việc của truyền động thuỷ động.

hW = hB + hT + hP Tổn thất thuỷ lực trong bánh bơm và bánh tua bin và bánh phản ứng.

Các tổn thất này gồm có:

• Tổn thất do ma sát ở các máng dẫn

- Phụ thuộc vào kích thước và biên dạng của cánh dẫn

- Vận tốc của dòng chảy.

- Độ nhớt bề mặt thành máng dẫn.

• Tổn thất do sự thay đổi đột ngột hướngchuyển động của dòng chảy nhất là ở lối vào các bánh. Khi đó có hiện tượng tách dòng, tạo xoáy và va đập.

• Tổn thất do sự thay đổi vận tốc dòng chảy (Chủ yếu là phần thu hẹp mặt cắt dòng chảy trong các máng dẫn)

Khi truyền động thuỷ lực làm việc tổn thất năng lượng đơn vị hW của chất lỏng biến thành nhiệt. Đó là nhược điểm cơ bản của truyền động thuỷ động. Vì vậy để khắc phục nhiệt độ làm việc tăng lên quá cao, chất lỏng có thể bị phân huỷ và tự bốc cháy. Trong nhiều trường hợp người ta phải chú ý đến vấn đề thoát nhiệt và làm nguội truyền động thuỷ động.

Hiện nay với kết cấu để tổn thất năng lượng hw đã giảm tới mức tối thiểu:

• Hiệu suất của khớp nối thuỷ lực đạt tới 98 %.

• Hiệu suất của biến tốc thuỷ lực đạt tới 90 %.

• Hiệu suất của truyền động liên hợp thuỷ: gồm có biến tốc thuỷ lực và cơ cấu vi sai hành trình đạt tới 95 %.

3 Khớp nối thuỷ lực

a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Khi động cơ làm việc bánh bơm quay và truyền cơ năng cho chất lỏng. Dưới tác dụng của lực ly tâm chất lỏng chuyển động dọc theo các cánh dẫn từ trong ra ngoài bánh bơm với vận tốc tăng dần. Sau đó chất lỏng chuyền qua bánh tua bin, khi qua các máng dẫn thì truyền cơ năng cho các máng đó làm cho bánh này quay cùng chiều với bánh bơm. Do đó mô men quay được truyền từ trục dẫn đến trục bị dẫn. Chất lỏng sau khi ra khỏi bánh tua bin lại trở về bánh bơm và lặp lại quá trình chuyển động như trên một cách tuần hoàn giữa hai bánh công tác.

Như vậy mỗi phần tử chất lỏng trong khớp nối thuỷ lực thực hiện đồng thời hai chuyển động

• Quay tuần hoàn từ bánh bơm đến bánh tua bin.

• Quay quanh trục khớp nối.

• Chuyển động tổng hợp của phần tử chất lỏng theo vòng xoắn ốc trong lòng khớp nối và quanh trục quay.

Công chất công tác

Nước và dầu nhờn có thể dùng làm chất lỏng làm việc trong khớp nối thuỷ lực. Dùng dầu nhờn tốt nhất vì nó không ăn mòn kim loại

Kích thước của khớp nối thuỷ lực tăng lên một ít vì mật độ của dầu nhờn bé và độ nhớt của nó lớn. Để cho dầu nhờn không bị nóng quá mức do ma sát bên trong khớp nối thuỷ lực thường dầu nhờn được tuần hoàn qua khớp nối bởi bơm tuần hoàn chuêyn dùng.

Đình chỉ sự làm việc của khớp nối thuỷ lực bằng hai cách

• Dịch chuyển van trượt đặc biệt vào hướng trục và xả chất lỏng ra khỏi khớp nối .

• Che bướm điều tiết của vòng tuần hoàn chất lỏng để nhanh chóng tách trục dẫn và trục bị dẫn.

b. Đặc điểm của quá trình làm việc của khớp nối thuỷ lực

Khớp nối thuỷ lực có nhiệm vụ chỉ truyền mô men quay của động cơ mà không biến đổi trị số mô men đó.

Tức là : MB + MT = 0  MB = - MT

Điều này hoàn toàn phù hợp với nguyên lý cân bằng tác dụng và phản tác dụng của định luật thứ 3 của Niw tơn.

Khi có sự thay đổi của tải trọng (mô men cản) trên trục bị dẫn thì số vòng quay của bánh tua bin sẽ thay đổi theo, do đó làm thay đổi vận tốc chuyển động của chất lỏng trong buồng làm việc và dẫn tới sự thay đổi mô men men quay của bánh tuốc bin sao cho cân bằng với trị số mô men của phụ tải. Vì vậy khớp nối thuỷ lực là loại truyền động tự động.

Tỷ số truyền

Do việc truyền cơ năng từ trục dẫn tới trục bị dẫn bằng môi trường chất lỏng trong các bánh công tác của khớp nối thuỷ lực không thể không bị tổn thất do đo tỷ số truyền :

Hệ số trượt

(6.13)

ở chế độ làm việc bình thường S = 2  4 %

S = 0 khi nT = nB và áp suất do tác dụng của lực ly tâm ở lối ra của bánh bơm và lối vào của bánh tua bin là như nhau. Khi đó chất lỏng không có chuyển động tương đối từ bánh bơm qua bánh tua bin mà nó chỉ quay cùng khớp nối thuỷ lực như là một vật rắn. Lúc này lưu lượng của chất lỏng Q =0 và do đó mô men của khớp nối thuỷ lực M = 0.

Hệ số trượt càng lớn (Tức là nB càng lớn so với nT) thì độ trênh áp suất ở lối ra của bánh bơm và lối vào bánh tua bin càng lớn. Do đó lưu lượng chất lỏg trong buồng làm việc của khớp nối thuỷ lực càng lớn.

Trong trường hợp lưu lượng Q đạt cực đại khi nT =0 tức là ứng với S = 100%

Hiệu suất

(6.14)

Hiệu suất khoảng  = 0.96  0.98 %

Tính chất của khớp nối thuỷ lực

1. Trục bị dẫn và trục dẫn quay độc lập với nhau khi trục dẫn quay thì trục bị dẫn bị quay có thể đứng yên hoặc quay với tốc độ góc nào đấy, nhưng vận tốc góc lớn nhất của trục bị dẫn phải bé hơn vận tốc trục dẫn 2  4%.

2. Khởi động và tăng tốc ( lấy đà )êm

3. Các chi tiết chủ yếu (bánh công tác) không bị mài mòn vì các bề mặt làm việc của chúng không tiếp xúc với nhau.

4. Hạn chế dao động xoắn.

5. Truyền động không ồn.

6. Có hiệu suất cao (0,96  0,98 ) ở chế độ làm việc tính toán.

7. Sử dụng vận hành chắc chắn.

8. Có thể thực hiện việc điều khiển từ xa và tự động hoá điều khiển một cách đơn giản.

ứng dụng của khớp nối thuỷ lực

1. Điều chỉnh số vòng quay của trục bị dẫn khi số vòng quay của động cơ không đổi.

2. Lấy đà cho các máy có mô men khởi động lớn.(Tua bin hơi, máy cắt kim loại..vv)

3. Đảo chiều chuyển động của máy.

4. Dùng trong động cơ cao tốc có vòng quay tới hạn lớn, do hai trục độc lập nên triệt tiêu được dao động cộng hưởng. Tránh quá tải cho trục chân vịt do dao động xoắn.

5. Dùng khớp nối thuỷ lực cùng với truyền động bánh răng cho phép nối nhiều động cơ cao tốc đến một trục chân vịt, nhờ khớp nối thuỷ lực mà các răng của truyền động không bị rung và xung động xuất hiện lúc động cơ làm việc,ngoài ra tải trọng của chúng được tự động cân bằng.

6. Sự làm việc trên một trục qua khớp nối thuỷ lực cùng với truyền động bánh răng còn có tính cơ động lớn vì luôn đảo chiều thì một số động cơ chạy tiến còn các động cơ khác chạy lùi, các động cơ đó nối với trục chân vịt thích hợp nhờ đóng các khớp nối thuỷ lực tương ứng (do khớp nối thuỷ lực có tính thuận nghịch và có thể truyền mô men quay theo hướng bất kỳ, nên khi động cơ làm việc thì sự khởi động động cơ còn lại có thể được tiến hành nhờ đóng các khớp nối thuỷ lực tương ứng).

7. khớp nối thuỷ lực có tác dụng như một bộ giảm chấn ngăn ngừa được sự tăng tốc quá cao của động cơ.

8. Chân vịt được truyền động qua khớp nối thuỷ lực được thích ứng nhất đối với vận hành của con tầu lúc chạy trong vùng có băng ,cạn tức là lúc tàu di chuyển phải thay đổi vận tốc và hướng thường xuyên và khớp nối thuỷ lực ngăn được các chấn động truyền lên trục động cơ.

c. Đường đặc tính của khớp nối thuỷ lực

Đường đặc tính ngoài:

Đường đặc tính ngoài cho ta biét tính năng làm việc của khớp nối thuỷ lực ở một chế độ ứng với nB = const.

Quan hệ giữa M,NB, và NT và  của khớp nối thuỷ lực với nT khi nB = const.

Đường đặc tính ngoài vẽ theo thực nghiệm. Qua đồ thị ta thấy rõ quan hệ giữa các thông số làm việc của khớp nối thuỷ lực.

• Khi nT tăng từ 0 đến nT ¬= nB thì M giảm do đó NB giảm ( do NB =M.B và B =const)

• Khi nT = 0 và nT ¬= nB thì NT = 0 trong khoảng hai giá trị giới hạn đó của nT thì NT có giá trị cực đại.

• Đường hiệu suất  là đường thẳng vì Khi nT ¬tiến dần đến nB theo lý thuyết  = 1 Nhưng vì lức ấy N  0 và mô men quay giảm đến mức chỉ còn đủ thắng mô men cản do tổn thất (tổn thất do ma sát ở ổ trục, ma sát của chất lỏng với bề mặt ngoài của bánh công tác...) cho nên hiệu suất không thể bằng1. Lúc đó đường  sẽ đi theo đường nét đứt đến số 0.

Đường đặc tính tổng hợp

Biểu diễn mối quan hệ giữa mô men quay M của khớp nối thuỷ lực với số vòng quay của bánh tuốc bin nT khi số vòng quay của bánh bơm thay đổi nB  const.

Đường đặc tính qui dẫn

Biểu diễn sự phụ thuộc của mô men quay M của khớp nối thuỷ lực tương tự với khớp nối nào đó đã biết theo tỷ số truyền i, hoặc hệ số trượt s khi các trị số D,b, được chọn theo tiêu chuẩn.

Dùng để so sánh chất lượng làm việc của các khớp nối thuỷ lực có kích thước và kết cấu khác nhau và chất lỏng làm việc khác nhau.

d. Khi chất lỏng không chứa đầy khớp nối thuỷ lực

Khi thể tích chất lỏng chiếm vào khoảng 90% thể tích buồng làm việc của khớp nối thuỷ lực ta gọi là chứa đầy (vì cần có một khoảng trống để hơi dầu và khí thoát ra khi khớp nối thuỷ lực làm việc).

Khi thể tích chất lỏng nhỏ hơn 90% thì gọi là không đầy, khi khớp nối thuỷ lực làm việc các đường cong mô men quay sẽ bị uốn gấp cục bộ và không liên tục. Vùng gạch chéo ứng với lúc khớp nối thuỷ lực làm việc không ổn định, gây nên dao động đột ngột mô men quay và vận tốc góc của trục bị dẫn.

Chuyển động của chất lỏng tuỳ theo hệ số trượt khi khớp nối thuỷ lực chứa một phần chất lỏng:

• Khi hệ số trượt S = 0 thì không có chuyển động tương đối của chất lỏng đối với máng dẫn của bánh công tác.

• Khi tăng dần tải trọng (mô men cản) lên trục bánh tuốc bin (S = 0.05  0.1) thì vòng quay của bánh đó giảm, gây ra chuyển động tương đối của chất lỏng trong máng dẫn. Do đó có sự phân bố lại chất lỏng giữa hai bánh bơm và tua bin. Bây giờ không những chỉ có lực ly tâm do sự quay của trục khớp nối thuỷ lực mà còn có lực thuỷ động do chất lỏng chuyển động trong mặt phẳng kinh tuyến theo chiều mũi tên.

• Nếu tiếp tục tăng tải trọng tức là tăng hệ số trượt (S = 0.3 0.35) thì chất lỏng có xu hướng dịch về phía bánh tua bin nhiều hơn. Lúc đó chất lỏng tạo thành vòng khép kín rỗng ở giữa và dịch gần tơí trục khớp nối.

• Khi động năng của dòng chất lỏng tăng tới mức bảo đảm cho nó theo bề mặt của bánh tua bin (S = 0.4 0.45) thì chất lỏng sẽ vào bánh bơm với bán kính bé nhất.

Sự biến đổi trạng thái chuyển động từ vòng khép kín nhỏ sang vòng khép kín lớn xảy ra đột ngột làm cho mô men quay tăng vọt lên. Như vậy khớp nối thuỷ lực trong trường hợp không chứa đầy chất lỏng sẽ làm việc ổn định ở hai phần của đường đặc tính ứng với hai trạng thái chuyển động của chất lỏng theo vòng tròn khép kín nhỏ hoặc vòng tròn khép kín lớn. Còn ở trường hợp quá độ từ trạng thái này sang trạng thái khác thì khớp nối thuỷ lực làm việc không ổn định.

Để khắc phục hiện tượng thay đổi đột ngột trạng thái chuyển động của chất lỏng thì ở lối ra của chất lỏng khỏi bánh tua bin có đặt đĩa chắn thì chất lỏng không thể chuyển động theo vòng tròn khép kín lớn và như vậy khớp nối thuỷ lực chứa không đầy chất lỏng sẽ làm việc ổn định.

4. Biến tốc thuỷ lực

4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a. Cấu tạo

Khi cần biến đổi mô men quay giữa hai trục dẫn và bị dẫn thì người ta dùng biến tốc thuỷ lực.

Thông thường dùng nó để tăng mô men quay của trục bị dẫn vì số vòng quay của bộ phận máy làm việc (đặt trên trục bị dẫn) thường nhỏ hơn số vòng quay làm việc tối thiểu của động cơ (kéo trục dẫn) rất nhiều khi đó biến tốc thuỷ lực đóng vai trò hộp giảm tốc.

b Nguyên lý làm việc của bộ biến tốc thuỷ lực

Bơm 1 được truyền động từ trục 2 của động cơ, bơm đó hút chất lỏng đó vào bánh phản ứng 3 biến cột áp tính thành cột áp động bởi vậy làm tăng mô men động lượng của chất lỏng so với trục quay.

Sau khi thoát ra khỏi bánh phản ứng chất lỏng được đập vào cánh của bánh tua bin 4, mô men này vào tâm và gây ra mô men xoắn cho tua bin 4, mô men này truyền cho trục bin 5. Sau khi ra khỏi tua bin chất lỏng trở về bơm và quá trình cơ bản lại lặp lại.

Biến tốc thuỷ lực được mô tả trên hình. Lúc hướng quay của trục dẫn biến đổi chiều quay của trục bị dẫn không đổi thì không thể biến đổi chiều quay của trục bị dẫn.

Để thực hiện đảo chiều của trục bị dẫn lúc hướng quay của trục dẫn không thay đổi thì có thể lắp cho biến tốc thuỷ lực bộ đảo chiều. Kiểu hướng có tốc độ cong phù hợp hoặc người ta lắp tuốc bin và bơm quay ngược.

Biến tốc thuỷ lực có bị đảo chiều kiểu hướng được chỉ trên hình 6.9 a

Bằng bơm 1 được truyền động qua trục dẫn 2 đẩy chất lỏng vào thiết bị hướng đảo chiều, đi vào bánh phản ứng 3a rồi đi vào các cánh 4a của tua bin cấp 1, sau đó vào bánh phản ứng 3b của cấp thứ hai và cấp vào cánh 4b của tuốc bin cấp thứ hai 8, sau đó chất trở về bánh bơm. Trục bị dẫn 5 được truyền động quay nhỏ bánh tua bin.

Để đối chiếu quay cần thay đổi hướng vận tốc của dòng chất lỏng cấp vào các cánh của bánh tua bin, với tính toán ra sao để tua bin thay đổi hướng quay của mình.

Điều đó có thể thực hiện nhờ tác dụng vào tay kéo 6 của các cánh 3 của bánh phản ứng đảo chiều.

Qua trên ta thấy nguyên lý làm việc của biến tốc thuỷ lực tương tự như khớp nối thuỷ lực, chỉ khác một điều là biến tốc thuỷ lực có bánh phản ứng để tạo khả năng biến đổi mô men quay của trục dẫn chất lỏng sau khi ra khỏi bánh bơm với vận tốc lớn thì đi vào bánh phân li.

Giống như bộ phận dẫn hướng trong bơm và tua bin, bánh phản ứng có tác dụng

Thay đổi hướng dòng chảy cho hợp với lối vào các máng dẫn bánh công tác đặt tiếp sau nó (tránh va đập), nhờ có kết cấu biến dạng cánh dẫn hợp lí

Thay đổi trị số vận tốc của dòng chảy cho hợp với yêu cầu của lối vào bánh công tác đặt tiếp sau nó bằng thay đổi diện tích mặt cắt các máng dẫn một cách hợp lí.

Sở dĩ gọi là bánh phản ứng vì chất lỏng khi qua bánh này truyền cho nó mô men quay nhưng do bánh đó cố định nên nó có tác dụng như một điểm tựa và truyền lại cho chất lỏng mô men động lượng (gọi là mô men phản ứng).

Nếu bánh phản ứng quay tự do (nghĩa là không gắn với vỏ cố định) thì mô men quay của trục dẫn truyền cho trục bị dẫn không thay đổi khi đó biến tốc thuỷ lực làm việc như khớp nối thuỷ lực.

Như vậy dòng chất lỏng được bơm truyền năng lượng sau khi đi qua các máng dẫn của bánh phản ứng và tua bin, kéo tua bin quay với vận tốc góc và mô men quay thay đổi theo trị số của mô men cần tác dụng lên trục bánh tua bin.

Biến tốc thuỷ lực có hai tính chất cơ bản:

• Tính chất biến đổi mô men quay

• Tính chất tự động điều chính chế độ làm việc (hay tự động thay đổi vô cấp vận tốc góc của trục bị dẫn, tuỳ theo phụ tải tác dụng lên trục đó)

Tính toán một số thông số của biến tốc thuỷ lực

Tính mô men: Công thức tính gần giống như¬ khớp nối thuỷ lực, như¬ng vì mô men quay MT Của bánh tuốc bin trong biến tốc thuỷ lực thường khác với mô men MB của bánh bơm nên ta có:

MP = MB .D5 . nB2 (6.15)

MT = MT. D5 . n2B (6.16)

Trong đó MB, MT là hệ số mô men của bánh bơm và bánh tuốc bin, chúng phụ thuộc vào tỉ số truyền i. D là đư¬ờng kính lớn nhất của biến tốc thuỷ lực.

Hệ số biến tốc k : Đặc trư¬ng cho khả năng biến tốc mô men của biến tốc thuỷ lực từ trục dẫn qua trục bị dẫn ở một chế độ làm việc nào đó của biến tốc thuỷ lực

(6.17)

Tỷ số truyền i : Đặc trư¬ng cho khả năng biến đổi vận tốc quay của trục bị dẫn so với trục dẫn của biến tốc thuỷ lực z

(6.18)

Hiệu suất  của biến tốc thuỷ lực:

(6.19)

Phương trình (6.20) cho ta thấy hiệu suất  chỉ phụ thuộc vào hiệu số biến tốc và tỷ số truyền biến tốc thuỷ lực.

ý nghĩa của nó là thể hiện khả năng truyền lực và biến đổi vận tốc của biến tốc thuỷ lực đồng thời cùng thể hiện tổn thất công suất trong quá trình biến tốc làm việc.

Như vậy, điều kiện làm việc của biến tốc thuỷ lực đặc tr¬ưng bởi các bất đẳng thức về mô men, về số vòng quay và công suất trên các trục dẫn và bị dẫn sau đây:

MB > M ( thường MB < MT,Tức K > 1 )

nB  nT ; NB > NT

Đối với biến tốc thuỷ lực thông dụng (chất lỏng làm việc là dầu khoáng) thì max = 0,85  0,90, và nếu là loại đơn giản (có ba cánh ) với i = 0,5  0,8 thì có:

1,75  1,1

Trong thực tế sử dụng biến tốc thuỷ lực hệ số biến tốc có thể đạt trị số K0 lớn nhất khi bánh tua bin ngừng quay, tức lúc i = 0.

K0 = 2,0  6,0

Trị số K0 phụ thuộc vào tỉ số truyền khi hiệu sất lớn nhất và vào kết cấu của biến tốc thuỷ lực.

4.2 Đường đặc tính của biến tốc thuỷ lực

Khác với nối trục thuỷ lực, ở biến tốc thuỷ lực chất lỏng luôn luôn được chứa đầy trong buồng làm việc. Hơn nữa chất lỏng nạp vào cần có thể làm ổn định khi hoàn toàn không có hiện tượng xâm thực. Hiện tượng này dễ xảy ra do vận tốc quay của bánh công tác lớn và nhiệt độ chất lỏng làm việc cao, nhất là ở lối vào máng dẫn của bơm.

Biến tốc thuỷ lực cũng có nhiều dạng đường đặc trưng tính như khớp nối thuỷ lực. Các đường đặc tính này đễ phân tích và lựa chọn chế độ làm việc của biến tốc sao cho phù hợp với động cơ dẫn động và phụ tải để có hiệu suất cao nhất.

a. Đường đặc tính ngoài

Đường đặc tính ngoài là đồ thị biểu diễn sự thay đổi của MB, MT và nT khi nB = cost.

Nhìn trên đồ thị ta thấy biến tốc thuỷ lực chỉ có một trị số max ở một trị số nT thích hợp nhất ứng với chế độ làm việc tối ưu của biến tốc. Còn ở các chế độ làm việc thì hiệu suất thuỷ lực M giảm.

Còn Q và M thì thay đổi không đáng kể.

Ta cũng thấy khi T thay đổi thì MB hầu như không thay đổi và ở khu vực có hiệu suất cao thì MT cũng không lớn hơn nhiều so với MB.

b. Đường đặc tính qui dẫn

Giống như trong khớp nối thuỷ lực, muốn đánh giá các biến tốc thuỷ lực tương tự không phụ thuộc vào kích thước của chúng và số vòng quay của trục dẫn thì người ta dùng đường đặc tính qui dẫn.

Nó biểu diễn sự phụ thuộc của các hệ số mô men MT, MT vào tỉ số truyền i

Đôi khi trong đồ thị đó có cả đường cong hệ số biến tốc K. Nhưng vì các đại lượng trên có quan hệ  = K.i = , nên chỉ cần có hai đường MB và M hoặc MB và  là ta có thể suy ra các đường công khác.

c. Đường đặc tính tổng hợp

Được xây dựng trên cơ sở các đường đặc tính ngoài khi số vòng quay trục dẫn ( nB ) thay đổi. Trên đồ thị cũng có các đường cùng hiệu suất giống như khớp nối thuỷ lực.

4.3. Các tính chất đặc biệt của biến tốc thuỷ lực

Trục dẫn và trục bị dẫn không nối cứng mà liên hệ với nhau bằng sự tuần hoàn của chất lỏng trong các bánh của các bánh công tác của chúng. Nhờ vậy mà truyền động mềm được thực hiện.Điều này đặc biệt quan trọng cho các tàu này có thể bị chạm vào băng và kẹt vào đất đá.

Hấp thụ các dao động xoắn của trục, tải trọng va đập lên trục dẫn và tạo điều kiện cho động cơ làm việc ổn định.

Thực hiện tỉ số truyền giữa trục dẫn và trục bị dẫn đến 12. Thêm vào đó vận tốc của trục bị dẫn phụ thuộc vào tải trọng tác động vào nó thay đổi từ sự chảy không tải đến không ( Ví dụ trong trường hợp kẹt chân vịt của tàu trong băng).

Khi mô men nhờ mô men quay tăng thích ứng. Lúc tỉ số truyền từ 1 đến 5 hiệu suất của biến tốc thuỷ lực gần bằng 0,9. Lúc tỉ số truyền từ 6 đến 12 thì hiệu suất bằng 0,85- 0,82.

Sự tăng công suất truyền tỉ lệ bậc 3 với tỉ số vòng quay trục động và trục bị động và bậc 5 với tỉ số đường kính của bánh bơm và bánh tua bin.

Trong khoảng thời gian dưới 10 -12 giây có thể thực hiện đảo chiều của trục bị dẫn lúc trục dẫn vẫn không ngừng làm việc.

Lúc tải trọng trên trục bị dẫn thay đổi đến chế độ công tác mới có thể làm thích ứng bằng cách giảm tỉ số vòng quay của trục bị dẫn. L

Lúc đúng hoàn toàn mô men lớn nhất trên trục bị dẫn tăng lên 4 lần so với mô men định mức.

Cho phép chuyển vị đường tâm của các trục từ 2- 3 mm. Vì trong biến tốc thuỷ lực 2 trục dẫn và bị dẫn không có liên quan cơ khí.

Vì sự gần giống nhau của đặc tính biến tốc thuỷ lực và đặc tính chân vịt mà hiệu suất của biến tốc thuỷ lực không đổi và không phụ thuộc trị số vòng quay và tải của trục dẫn.

Có thể đảo chiều biến tốc thuỷ lực từ một địa điểm bất kì nào nhờ truyền động từ xa.

Biến tốc thuỷ lực làm việc không ồn.

Dùng cho các động cơ không đảo chiều và cho truyền động một số động cơ quay một chân vịt.

Khi động cơ làm việc với biến tốc thuỷ lựccó thể điều chỉnh liên tục vận tốc hành trình của tàu bằng cách thay đổi sự nạp chất lỏng vào vỏ của nó.

Bởi vậy, biến tốc thuỷ lực cho phép thực hiện tiêu chuẩn hoá của các động cơ cao tốc cho các kiểu tàu khác nhau mà vẫn đảm bảo trị số cần thiết của vòng quay trên trục chân vịt.

Một nhược điểm lớn của biến tốc thuỷ lực là chỉ có thể thay đổi mô men quay n được ít ( trung bình từ 2  4 lần ).

Câu hỏi

1. Phân tích các ưu nhược điểm của loại truyền động thuỷ lực cánh dẫn. Nêu ứng dụng của loại truyền động này.

2. Phân tích các đặc điểm công tác, ưu nhược điểm của khớp nối thuỷ lực áp dụng cho động cơ lai chân vịt thông qua khớp nôí đó.

3. Trình bày đặc điểm kết cấu, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của khớp nối thuỷ lực.

4. Trình bày đặc điểm chung của biến tốc thủy lực. Nêu nguyên lý hoạt động và ứng dụng của biến tốc thuỷ lực.