Chương 4
MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH
4.1. Khái niệm cơ bản về máy thuỷ lực thể tích (MTLTT)
4.1.1. Nguyên lý làm việc của MTLTT
MTLTT bao gồm các loại bơm và động cơ thủy lực thể tích. Về nguyên tắc bất kỳ
MTLTT nào cũng làm việc thuận nghịch, tức là làm được hai nhiệm vụ bơm và động cơ.
Trên hình 4.1a là sơ đồ làm việc của của một bơm thể tích kiểu pittông có chuyển động
tịnh tiến. Khi pittông 1 di chuyển sang trái, thể tích buồng làm việc a tăng lên, áp suất giảm đi
nên chất lỏng từ ống hút 6 qua van một chiều 4 vào xi lanh 2. Khi pittông sang phải, dưới áp lực
P của pittông, chất lỏng trong xi lanh bị nén với áp suất p qua van một chiều 5 vào ống đẩy 3.
Phần thể tích buồng làm việc thay đổi để hút và đẩy chất lỏng gọi là buồng làm việc. Nếu buồng
làm việc hoàn toàn kín và bơm có đủ công suất thì áp suất làm việc của bơm p chỉ phụ thuộc vào
áp suất chất lỏng trong ống đẩy.
Trên hình 4.1b là sơ đồ làm việc của một động cơ thể tích có chuyển động quay, chất
lỏng có áp suất cao vào động cơ tạo nên áp lực đẩy các cánh gạt 2 của roto 1 làm cho trục của
động cơ quay.
Hình 4.1
MTLTT gồm nhiều loại bơm và động cơ thủy lực nhưng phần lớn là bơm. Theo công
dụng, MTLTT có thể chia thành hai loại:
- Bơm nước và các loại chất lỏng khác
- Bơm và động cơ dầu dùng trong các hệ thống truyền động.
Theo kết cấu và dạng chuyển động có thể chia MTLTT thành ba loại chủ yếu sau:
- Loại pittông (có chuyển động tịnh tiến)
- Loại pittông rôto (vừa có chuyển động tịnh tiến, vừa có chuyển động quay – pittông quay và
tịnh tiến)
- Loại rôto (có chuyển động quay)
4.1.2. Các thông số cơ bản của MTLTT
Theo nguyên lý áp suất của chất lỏng trong MTLTT chỉ phụ thuộc vào phụ tải ngoài. Nếu
bảo đảm buồng làm việc hoàn toàn kín thì lưu lượng của máy thủy lực thể tích không phụ thuộc
vào áp suất, còn áp suất có thể tăng lên bao nhiêu cũng được tùy thuộc vào áp suất phụ tải và
52

thay đổi theo thời gian, kể cả khi máy làm việc ổn định.
b) Áp suất: cột áp của MTLTT được tạo nên chủ yếu bởi sự thay đổi áp suất tĩnh của chất lỏng
khi chuyển động qua máy, do đó thường dùng áp suất để biểu thị khả năng tải của máy.
Cột áp H và áp suất p liên hệ với nhau bằng công thức cơ bản thủy tĩnh:
γ
p
H =
(4-2)
Đối với MTLTT có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên
một áp lực P:
P = p.Ω (4-3)
Ω: diện tích làm việc của mặt pittông
Đối với MTLTT có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên
mômen quay M:
M = k
M
.p (4-4)
k
M
là hằng số đối với một máy nhất định phụ thuộc vào kết cấu và kích thước máy, gọi là
hệ số mômen
Hệ số mômen k
M
có thể suy từ công thức tính công suất lý thuyết:
N
l
= γ.Q
l
.H (4-5)
Thay (4-2) vào (4-5) được:

Nếu có kể tổn thất thì công thức tính mômen quay M cho động cơ và bơm phải tính riêng
biết.
- Đối với bơm:
p
k
p
Q
M
B
M
B
B

.
ηωη
==
(4-10)
- Đối với động cơ:
pkp
Q
M
MĐĐĐ

η
ω
η
==
(4-11)
c) Hiệu suất và công suất
Hiệu suất toàn phần của máy thủy lực được xác định theo công thức chung:

v: vận tốc của pittông
- Đối với động cơ có chuyển động quay:
N
Đ
= M.ω (4-15)
M: mômen quay trên trục
ω: vận tốc góc
4.2. Bơm Pittông
4.2.1. Phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bơm pittông
Bơm pittông có thể phân loại theo tính chất tác động, cấu tạo của quả nén, vị trí xi lanh
và phương pháp nối tiếp quả nén với động cơ.
Theo tính chất tác động người ta phân bơm pittông thành các loại: bơm tác động đơn,
bơm tác động kép, bơm tác động ba lần, vv… Sau đây ta nghiên cứu sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc
làm việc của một vài loại.
54
a) Bơm pittông tác động đơn (hình 4-2 )
Hình 4-2
Bơm pittông tác động đơn gồm các bộ phận chính sau đây: xi lanh 1, quả nén 2, pit tông 3,
ngăn công tác 4, ống hút 5, ống đẩy 6, khoá vào K
V
(khoá hút) và khoá ra Kr (khoá phun).
Để kiểm tra sự hoạt động của bơm người ta lắp một áp kế trên ống đẩy và một chân
không kế trên ống hút.
Ngoài ra máy bơm thường có các hộp không khí lắp ở ống hút và ống đẩy để đảm bảo
việc cấp chất lỏng được đều (hình 4-3).
Nguyên lý làm việc: Khi quả nén chuyển động từ trái sang phải thì trong xi lanh tạo
thành chân không, nhờ đó chất lỏng được dâng lên trong ống hút để chiếm lấy khoảng trống do
quả nén tạo nên.
Ngược lại, khi quả nén chuyển động từ phải sang
trái thì áp lực trong xi lanh tăng lên, khoá hút đóng kín,

V
Kr
K
Hình 4-3
Khi bơm làm việc, quá trình hút chất lỏng được thực hiện ngay ở hộp không khí lắp trước
bơm và ở đó tạo nên chân không; đồng thời chất lỏng được hút qua van một chiều theo ống hút
đến hộp không khí. Do tiết diện của hộp không khí tương đối lớn so với tiết diện ống hút nên độ
dao động mực chất lỏng trong hộp không khí có thể xem như không đáng kể và chuyển động của
chất lỏng trong ống là ổn định. Kết quả làm sức cản thuỷ lực giảm xuống, độ cao hút tăng lên.
Hộp không khí lắp trước ống đẩy (sau bơm) gọi là hộp không khí nén, có tác dụng điều
tiết dòng chất lỏng chảy vào ống này được liên tục. Khi trong bơm xảy ra quá trình ép chất lỏng,
áp suất trong ngăn công tác tăng đến độ khóa vào đóng, khoá phun mở thì một phần chất lỏng
được ép trực tiếp vào ống đẩy, phần khác vào hộp không khí. Kết thúc quá trình này, khoá phun
đóng, dưới áp lực của không khí nén phần chất lỏng còn lại trong hộp không khí được ép vào
ống phun. Như vậy nhờ lắp thêm hộp không khí nén mà dòng chất lỏng trong ống đẩy của bơm
được thường xuyên liên tục và đều đặn hơn.
b) Bơm pittông tác động kép
Bơm pit tông tác động kép (hình 4-4), hay còn gọi là bơm pittông tác động hai chiều.
Hình 4-4
Bơm bao gồm: hai ngăn công tác A và B, hai khoá hút và hai khoá phun. Trong hoạt
động của bơm, qua mỗi vòng quay của trục động cơ có hai lần hút và hai lần đẩy chất lỏng, do
đó bơm làm việc đêu đặn hơn, năng suất cao hơn so với bơm tác động đơn.
4.2.2. Năng suất của bơm pittông
Ta hãy phân tích hoạt động của bơm pittông và tìm công thức tính năng suất của nó.
Khi kết thúc quá trình hút thì lượng chất lỏng chứa trong ngăn công tác của bơm pittông
tác động đơn là:
W =
ω
. s (m
3

Q
lt
ω
=
(m
3
/s) (4-17)
Q
lt
- là năng suất lý thuyết. Tuy nhiên, năng suất thực tế có giá trị bé hơn, bởi vì trong
quá trình làm việc của bơm sẽ có một phần chất lỏng chảy qua các kẽ hở, mặt khác do các khoá
đóng và mở chậm nên không khí có thể xâm nhập vào ngăn công tác. Vì vậy năng suất thực tế
của bơm được tính theo công thức sau:
vvltT
ns
QQ
η
ω
η
.
60

.
1
==
(m
3
/s) (4-18)
η
v

.
60
).(
21
2
+
=
Hoặc:
V
p
T
ns
Q
η
ωω
.
60
.).2(
2
−
=
(m
3
/s) (4-19)
Nhận xét: Qua phần phân tích tính toán trên ta thấy năng suất của bơm pittông có thể
điều chỉnh được bằng các biện pháp sau:
- Thay đổi số vòng quay của trục động cơ, hoặc thay đổi số chu kỳ làm việc của bơm
trong một đơn vị thời gian.
- Điều chỉnh bằng khoá (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng đẩy về buồng hút của
bơm.

Nếu
g
m
1
=
là khối lượng của một đơn vị trọng lượng thì lực quán tính tác dụng lên nó
là:
t
v
g ∂
∂
.
1
do đó phương trình chuyển động của dòng nguyên tố của chất lỏng chuyển động trong
bơm pittông:
0
1
2
2
=
∂
∂
+
∂
∂
+





vp
Z =
∂
∂
++++
∫
∑
.
1
2
2
γ
(4-22)
So với phương trình cho dòng ổn định ta thấy trong (4-22) có thêm thành phần
∫
∂
∂
ds
t
v
g
1
do lực
quán tính xuất hiện trong dòng chảy nên gọi là cột áp quán tính, ký hiệu h
qt
:
∫
∂
∂
= ds

: áp suất buồng làm việc trong quá trình hút
Z
h
: chiều cao hút địa hình
v
x1
: vận tốc chất lỏng trong buồng làm việc (bằng vận tốc pittông)
Σh
h
: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống hút.
h
qth
: cột áp quán tính trên ống hút. Theo (4-23) ta có:
∫
+
∂
∂
=
xh
L
x
qth
dl
t
v
g
h
0
1
1

i
i
i
h
l
f
F
L
1
F: diện tích mặt pittông
f
i
: diện tích mặt cắt đường ống thứ i.
và L
h
được gọi là chiều dài tương đương của ống hút
Thay vào (4-24) và biến đổi, ta được áp suất ở trong buồng làm việc của bơm trong quá trình hút
đối với trường hợp tổng quát là:






+
+Σ+++−=
dt
dv
g
xL


∆+≥








=
h
pp
bh
x
x
γγ
0
1
Tức:
h
p
hh
g
v
Z
p
bh
qth
x

p
R
g
L
h
g
v
Z
p
bhh
h
x
h
a
∆+≥






+Σ++−
γ
ω
γ
2
2
1
.
)(

đ
: tổng tổn thất cột áp trên toàn bộ đuờng ống đẩy.
h
qtđ
: cột áp quán tính trên ống đẩy, xác định tương tự theo các biểu thức viết cho quá trình hút,
được:
60
* Công suất lý thuyết trung bình N
lđ
:
)1(
306

2
0
+= Z
nbR
N
lđ
π
(KW) (4-50)
Trong đó:
R
0
, b: bán kính vòng tròn cơ sở và chiều rộng của bánh răng, tính bằng cm
p tính bằng N/cm
2
Thực tế thì mômen và công suất của động cơ thu được nhỏ hơn các giá trị lý thuyết do tổn thất
ma sát:
M

q
Q
nn
QlđQđ

ηη
==
(v/ph) (4-54)
4.5.3. Bơm và động cơ thuỷ lực trục vít
Trong các thập kỷ gần đây, bơm và động cơ trục vít được sử dụng nhiều trong công
nghiệp, nhất là trong các hệ thống truyền động thủy lực do có những ưu điểm sau:
- Lưu lượng điều hòa
- Hiệu suất tương đối cao
- Kết cấu nhỏ gọn, chắc chắn, không ồn
- Có thể làm việc với số vồng quay tương đối lớn và áp suất cao
- Mômen quán tính nhỏ so với tất cả các loại MTL thể tích có cùng công suất do đó máy
làm việc có độ nhạy cao
Bộ phận làm việc chủ yếu của MTL trục vít gồm có hai hoặc ba trục vít ăn khớp với nhau
đặt trong một vỏ máy cố định có lõi dẫn chất lỏng vào và ra. Ren của trục vít thường có ba loại:
ren hình chữ nhật, hình thang và xiclôit.
a) Bơm trục vít
Xét cấu tạo của một bơm hai trục vít ren chữ nhật (hình 4-12) ta thấy trục vít chủ động 1
70
có nhiều ren phải ăn khớp với trục ren bị động 2 có chiều ren trái và cả hai đều được định
vị bằng các ổ trục đặt trong vỏ bơm 4. Để khắc phục sự tự hãm của các mặt ren (nhằm hỗ trợ
chuyển động ), người ta lắp ở phía cuối hai trục vít hai bánh răng 3 ăn khớp với nhau. Khe hở
giữa các trục vít và vỏ bơm là rất nhỏ. Vỏ (thân) bơm có bọng hút A và bọng đẩy B.
Hình 4-12
Bơm làm việc theo nguyên lý sau: Chất lỏng được điền đầy ở bọng hút A và rãnh ren ở vị
trí C. Khi trục vít quay một vòng thì thân ren (t) của trục vít kia ăn khớp với rãnh ren C và chất

* Lưu lượng của bơm trục vít
Như đã giới thiệu ở trên, cứ mỗi vòng quay thì trục vít chuyển được một khối chất lỏng
có thể tích bằng thể tích rãnh ren trong một bước ren (t). Với F là diện tích mặt cắt ngang của
rãnh ren thì lưu lượng riêng lý thuyết của bơm trục vít sẽ là:
q
1
= F. t (4-79)
Vậy trong một giây ta có lưu lượng lý thuyết Q
1
là:
60

60
.
1
tFn
qn
Q ==
(4-80)
Ở đây: n - số vòng quay của bơm trong một phút
t - chiều dài bước ren, dm
Đối với bơm hai trục vít ta tính F gần đúng theo công thức:
4
).(
22
dD
F
−
=
π

η
069,0
3
3
=
(l/s) (4-82)
Trong đó:
Q
3
- lưu lượng thực tế của bơm trong một giây,
d - đường kính chân ren của trục vít chủ động,
η
V
- hiệu suất lưu lượng, thường
η
V
= 0,80
÷
0,95. Với bơm có lưu lượng càng lớn thì
η
V
càng lớn
n - số vòng quay của trục vít chủ động trong một phút. Để đảm bảo không xảy ra hiện
tượng xâm thực trong bơm thì số vòng quay tối đa n
max
cần thoả mãn điều kiện sau:
72
v
Q
n

30
.n
π
ω
=
(với n là số vòng quay trong một phút của động cơ)
Thay Q từ (4-81) ta có mômen quay của bơm hai trục vít:

8
).(
22
dDtp
M
ĐV
Đ
−
=
ηη
(4-85)
4.5.4. Bơm và động cơ thuỷ lực cánh gạt
4.5.4.1. Bơm cánh gạt
a) Kết cấu và nguyên lý làm việc
Bơm Rô-to cánh gạt đơn giản nhất là loại hai cánh gạt (hình 4-14). Bơm gồm có vỏ
(thân) bơm hình trụ 1, rô-to 2 và các bản phẳng 3. Khoảng lệch tâm của vỏ và rô-to là e. Phần
không gian giới hạn bởi vỏ và Rô-to gọi là thể tích làm việc của bơm. Khi rô-to quay, nhờ lực
đẩy của lò xo 4 nên các bản phẳng 3 luôn luôn tỳ sát vào thành vỏ bơm và gạt chất lỏng, do đó
được gọi là cánh gạt. Nếu rô-to quay theo chiều mũi tên, thể tích chứa chất lỏng từ A đến mặt cắt
C-C tăng, áp suất trong chất lỏng giảm, nhờ đó chất lỏng được hút vào bơm. Trong khoảng di
chuyển của cánh gạt từ mặt cắt C-C đến B thể tích chứa chất lỏng sẽ giảm, do đó áp suất tăng
nên chất lỏng bị ép vào ống đẩy.

13
0
) là để cho hai cánh gạt trượt dễ dàng (hình 4-16 b).
74
A
B
C
D
E
F
G
H
r
2
h
A
B
C
D
E
F
G
H
α
a)
b)
r
1
P
a/

Q = 5
÷
200 l/s, đối với bơm tác dụng kép
- Hiệu suất làm việc
η
= 0,5
÷
0,8.
b) Lưu lượng của bơm Rô-to cánh gạt
Trên thực tế lưu lượng trung bình của bơm cánh gạt tác dụng đơn tính theo công thức:
( )
Zr
ben
Q
v
2
30

δπ
η
−=
(l/s) (4-86)
Trong đó:
n - là số vòng quay của bơm trong một phút.
e - độ lệch tâm, dm
b - chiều rộng cánh gạt, dm
η
V
- hiệu suất lưu lượng của bơm cánh gạt,
η

2
2
rrZ
rr
bn
Q
v
(4-87)
75
Ở đây:
α
- là góc nghiêng của cánh gạt so với hướng kính.
Từ (4-86) và (4-87) ta thấy lưu lượng của bơm cánh gạt tác dụng đơn có thể điều chỉnh được,
còn lưu lượng của bơm tác dụng kép là không điều chỉnh được vì không có độ lệch tâm (e) giữa
rô-to và vỏ bơm. Đó cũng chính là một yếu tố quan trọng để ta xem xét điều kiện ứng dụng của
hai loại bơm này.
4.5.4.2. Động cơ thủy lực cánh gạt
Động cơ thủy lực cánh gạt có kết cấu như bơm cánh gạt, tương tự các máy rôto khác, bơm
và động cơ thường là một tức máy có thể hoạt động thuận nghịch. Do đó, tính chất làm việc và
các công thức tính toán tương tự như bơm cánh gạt.
4.5.5. Bơm chân không vòng nước
Trong kỹ thuật nhiều khi cần phải tạo chân không. Loại bơm đơn giản nhất để tạo chân
không là bơm chân không vòng nước
Hình 4-17
Bơm gồm vỏ hình trụ tròn 1 trong đó có rôto 2. Trên rôto có gắn cố định các cánh gạt.
Tâm của vỏ và rôto lệch nhau một khoảng e. Trong vỏ 1 có nước. Khi rôto quay các cánh gạt
khuấy nước, dưới tác dụng của lực li tâm, nước tạo thành một hình vành khăn bao quanh rôto
làm kín bơm. Ở mặt bên của vỏ bơm có miệng hút a thông với ống hút và miệng đẩy b thông với
ống đẩy. Miệng hút có tiết diện lớn hơn miệng đẩy.
Khi cánh gạt quay theo chiều mũi tên từ mặt cắt AB đến CD thể tích chứa không khí giữa