chơng i
tính toán thiết kế và điều chỉnh tốc độ
trong hệ thống truyền dẫn thuỷ lực
Truyền dẫn thuỷ lực là truyền dẫn mà trong đó tốc độ của cơ cấu
chấp hành đợc thay đổi vô cấp, nhờ có sự thay đổi lu lợng chảy qua van tiết
lu, hoặc thay đổi năng suất của bơm. Do đó có hai phơng pháp điều chỉnh
tốc độ.
- Điều chỉnh tốc độ bằng thể tích.
- Điều chỉnh tốc độ bằng tiết lu.
I- Điều chỉnh và ổn định tốc độ bằng thể tích.
I. Điều chỉnh tốc độ bằng thể tích.
1- Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng thể tích:
5

8
7
2

4

3
M
1

1

a)

6

4

khối xi lanh với đĩa chủ động, sẽ thay đổi đợc hành trình của pit tông, do đó
sẽ thay đổi đợc năng xuất của bơm. Trong các bơm pít tông hớng kính hoặc
các bơm cánh gạt, năng xuất của bơm đợc thay đổi nhờ thay đổi độ lệch
tâm giữa phần rôto và Stato. Bộ phận điều chỉnh năng xuất của bơm có
nhiều kết cấu khác nhau. Song đơn giản nhất là điều chỉnh bằng tay (hình
a); cũng có trờng hợp dùng động cơ điện phối hợp với truyền dẫn cơ khí
(hình b), hoặc dùng truyền dẫn thuỷ lực: (hình c).
3

3
ì
ì

- Qmax

- Qmax

+ Qmax

1

1

2

2

+ Qmax

a)

Qb = vo . F1
v
Qb
vo =
F1
p
o

b

Qb
Qb - năng xuất của bơm đã
a)
đợc điều chỉnh ứng với giá trị vo
tơng ứng.
F1 - diện tích của pít-tông phía không có cần đẩy.
Khi có tải
p0
Qb = v F1 + Qch
Qch - là tổn thất dò chảy của hệ thống (gồm có dò chảy trong bơm,
trong pít tông xi lanh trong các thiết bị và ống dẫn khác nữa, v.v...). Tổn
thất dò chảy tỷ lệ thuận với tải trọng P
Q b Q ch
Do đó:
v=
F1

Vậy tổn thất vận tốc khi có tải sẽ là:
Q ch
v = vo - v =

bơm. Vì vậy muốn giữ cho vận tốc không đổi, cần phải cung cấp thêm cho
động cơ dầu (hoặc cho xi lanh) một lợng dầu để đủ bù đắp cho lợng dầu đã
bị tổn hao do dò chảy. Một trong những phơng pháp dùng để ổn định tốc
độ khi điều chỉnh bằng thể tích đợc trình bày trong sơ đồ nguyên tắc dới
đây:
Khi tải trọng P tăng,
p
p1
áp xuất p1 trong buồng
F1
p
v
trái của xi lanh tăng lên,
pđ.c
pb
áp suất làm việc của bơm
3
pb cũng tăng theo, do đó
+
lợng dầu dò chảy trong
1
4
bơm và trong hệ thống
2
cũng tăng. Mặt khác khi
áp lực của bơm p b tăng
thì áp lực điều chỉnh pđ.c trong buồng của cơ cấu tự điều chỉnh 2 cũng tăng
theo và đẩy trụ pít tông 4 dịch chuyển sang trái. Trụ 4 lại đẩy vành Stato
của bơm 1 làm tăng thêm độ lệch tâm e của bơm. Vì vậy lúc này bơm 1 đã
tự động điều chỉnh năng xuất của mình để cung cấp thêm cho hệ thống một


2

2

3

3

4
1

1

a)

b)

Dầu từ bơm 1 (với năng xuất không đổi) đợc đẩy lên qua van tiết lu
4, van đảo chiều 5 rồi đi tiếp vào buồng làm việc của xi lanh. Dầu từ buồng
kia của xi lanh qua van đảo chiều 5, qua van áp lực 3 trở về bể, van 3 sẽ tạo
ra trên đờng dầu về bể một áp lực nhỏ nào đó để hệ thống làm việc đợc êm.
Khi thay đổi lợng mở của van tiết lu 4 sẽ nhận đợc những giá trị khác nhau
của vận tốc. áp lực làm việc của bơm p b = const đợc xác định bằng van an
toàn 2. Van 2 là van tràn nên cũng dùng để xả phần dầu thừa qua nó về bể.
- van tiết lu đặt trên đờng dầu ra (đờng dầu về bể ) (H-b).
Dầu từ bơm 1, qua van đảo chiều 2 vào buồng làm việc của xi lanh.
Dầu từ buồng kia của xi lanh, qua van đảo chiều 2, theo đờng ống rồi qua
van tiết 4 về bể. Khi thay đổi lợng mở của van tiết lu 4 sẽ làm thay đổi lu lợng dầu chảy về bể; do đó sẽ nhận đợc những giá trị khác nhau của vận tốc.
Van an toàn 3 dùng để giữ cho áp lực làm việc của bơm là không đổi p b =

không đặt trực tiếp trên đờng nối
từ bơm đến xi lanh nên áp lực
1
làm việc của bơm phụ thuộc vào
tải trọng tác động lên pít tông
( pb const).
Nh vậy công suất tiêu thụ của bơm sẽ tỷ lệ với tải trọng và sẽ tiết
kiệm đợc năng lợng; dầu ít bị nóng. Mặt khác sơ đồ lại đơn giản. Khi thay
đổi lu lợng chảy qua van tiết lu 2 ta sẽ thay đổi đợc vận tốc của pít tông.
Tuy nhiên nhợc điểm chủ yếu của sơ đồ này là: Độ ổn định của vận tốc và
độ cứng vững của hệ thống đều kém hơn so với các sơ đồ khác; ngoài ra vì
bơm làm việc với áp lực thay đổi nên cứ mỗi một sơ đồ truyền dẫn lại đòi
hỏi phải có một bơm riêng. Chính vì vậy mà sơ đồ này ít đợc sử dụng rộng
rãi.
2- Xác định tổn thất vận tốc khi điều chỉnh tốc độ bằng ph ơng pháp
tiết lu.
a) Tổn thất vận tốc khi van tiết lu đặt trên đờng dầu vào xi lanh.
Từ lợc đồ tính toán ta nhận thấy khi không có tải P = 0, phơng trình
cân bằng các lực tác động lên pít tông sẽ là:
p1F1 = p2F2 + Pm.s
Từ đó:
p1 =

p 2 F2 + Pm .s
F1

Độ chênh áp xuất p trớc và sau.
6



p 2F 2 + Pm . s + P
p' = Pb F1

P

về bể

Hình

Khi không kể đến ảnh hởng của sự dò chảy trong hệ thống ta có: vận
tốc của pít tông khi không tải: vo =
vo =

f
F1

Q t.l
F1

p F + Pm .s
2g
pb 2 2


F1


Vận tốc của pit tông khi có tải:
Q' t.l
v =

=1vo

p b F1 p 2 F2 Pm .s P
p b F1 p 2 F2 Pm .s

Ta nhận thấy nếu tải trọng P tăng thì hiệu số áp xuất p trớc và sau
van tiết lu sẽ giảm, lu lợng qua van cũng giảm, do đó vận tốc chuyển động
của cơ cấu chấp hành cũng giảm theo. Tải trọng P càng lớn hệ số v càng
lớn, do đó vận tốc chuyển động càng không ổn định.
b) Tổn thất vận tốc khi van tiết lu đặt trên đờng dầu ra (chảy về bể).
Tơng tự nh trên
p1
p2
Ta có:
P
Khi không tải P = 0
F1
F2
p1F1 = p2F2 + Pm.s
p2

=

p1F1 Pm .s
F2

p = p2 - po =

pb


8


- Vận tốc khi không có tải là:
vo =

Q t.l
F2

=

f
F2


2g p b F1 Pm .s
po


F2


=

f
F2


2g p b F1 Pm .s P
po

vẫn có nhiều u điểm hơn, nh phần trên đã nói.
II. ổn định tốc độ khi điều chỉnh bằng phơng pháp tiết lu.
1- Bộ tự điều chỉnh và ổn định tốc độ (bộ ổn tốc).
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng tiết lu đợc dùng rộng rãi vì nó
đơn giản, rẻ tiền, phù hựp với những trang thiết bị không đòi hỏi công suất
lớn. Tuy nhiên việc sử dụng các van tiết lu thông thờng sẽ không ổn định đợc vận tốc của cơ cấu chấp hành khi tải trọng tăng. Để ổn định tốc độ, ta thờng dùng bộ tự điều chỉnh và ổn định tốc độ (bộ ổn tốc). Bộ ổn tốc gồm có
hai van: van tiết lu dùng để thay đổi giá trị của vận tốc và van điều chỉnh áp
lực dùng để giữ cho hiệu số áp xuất trớc và sau van tiết lu là không đổi. Các
van này đợc bố trí nối tiếp hoặc song song. Các bộ ổn tốc thờng đã đợc
tiêu chuẩn hoá. Sơ đồ kết cấu và nguyên tắc làm việc của bộ ổn tốc đã đợc
giới thiệu trong học phần I "cơ sở của máy công cụ" của giáo trình môn
học "máy công cụ".
2- Sơ đồ bố trí bộ tự điều chỉnh và ổn định tốc độ.
Cũng nh các van tiết lu đơn giản, bộ tự điều chỉnh và ổn định tốc
độ cũng đợc bố trí tơng tự theo các sơ đồ dới đây:

9


a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ với áp lực bơm không đổi ; Pb= const.
Trong trờng hợp này ta dùng bộ ổn tốc có các van tiết lu và van điều
chỉnh áp lực bố trí nối tiếp và có thể đặt trên đờng dầu vào xi lanh hoặc trên
đờng dầu ra.
-) Bộ ổn tốc đặt trên đờng dầu vào (Hình a).
Phơng trình cân bằng lu lợng: Khi không có tải P = 0.
Qt.l = voF1 + Qch
(1)
- Khi có tải:

P 0


P

Bộ
ổn
tốc
Pb=const

Pb = const

Bộ
ổn
tốc

Hình a
Hình b
Vì có bộ ổn tốc nên ta có: Qt.l = Q't.l
Từ phơng trình (1) và (2) ta có:
Q'ch Qch
Qch
v = vo - v =
=
F1
F1
Hệ số không đồng đều vận tốc:

v Qch
=
v =


công suất (hình c).

p1

p2

F1

F2

v

P

Bộ
ổn
tốc
Pb const

Hình c

III. Cơ sở để tính toán và chọn các trang thiết bị
truyền dẫn thuỷ lực.
Để tạo thuận lợi cho việc thiết kế, phần lớn các bộ phận trang thiết bị
của truyền dẫn thuỷ lực đều đã đợc tiêu chuẩn hoá. Do đó sau khi đã tính
toán đợc các thông số cơ bản, ta dựa vào các thông số đó để chọn các thiết
bị.
1- Chọn dầu:
Dầu trong truyền dẫn thuỷ lực có vai trò rất quan trọng vì đó là môi
trờng để chuyển hoá năng loựng. Do đó dầu phải thoả mãn những yêu cầu

= (0,35 ữ 0,65) . 10-4 m2/sec.
- Khi áp suất p 100 . 105 N/m2 chọn dầu có độ nhớt:
= (1 ữ 2) . 10-4 m2/sec.
2- Chọn lới lọc và bể chứa:
Đối với lới lọc, trớc hết cần căn cứ vào yêu cầu về mức độ làm sạch
dầu mà lựa chọn phơng pháp và kết cấu của các loại lới. Sau đó tính lu lợng
dầu cần thiết đi qua lới. Tính toán diện tích của phần lới mà dầu đi qua và
diện tích chung của cả lới. Tính toán áp lực làm việc của lới, rồi tra bảng
để chọn các lới đã đợc tiêu chuẩn hoá.
Đối với bể chứa (xem ở phần học phần I "cơ sở của máy công cụ").
3- Chọn bơm:
Trớc hết căn cứ vào sơ đồ truyền dẫn và các yếu tố điều chỉnh tốc độ
(điều chỉnh bằng thể tích hay bằng phơng pháp tiết lu) để tính toán lu lợng
cần thiết (tức năng suất) của bơm. Sau đó căn cứ vào tải trọng tác động lên
cơ cấu chấp hành, lập phơng trình cân bằng lực để tính toán áp lực cần
thiết trong khi làm việc và tính các tổn thất áp lực từ bơm đến xi lanh (động
12


cơ). Tính toán áp lực làm việc của bơm. Căn cứ vào năng xuất và áp lực
làm việc của bơm, đồng thời dựa vào kinh nghiệm thực tế có thể chọn bơm
theo sự hớng dẫn dới đây:

tông.

a) Theo lực kéo và áp lực làm việc của bơm:
- Nếu P 20 KN và pb 20 . 105 N/m2 nên chọn các bơm bánh răng.
- Nếu P 50 KN và pb 55 . 105 N/m2 nên chọn các bơm cánh gạt.
- Nếu P > 50 KN và p b (100 ữ 200) . 105 N/m2 nên chọn các bơm pit



. Dãy cơ bản: 25, 32, 40, 50, 60 , 80, 100, 125, 160, 200, 250,
320, 400.
. Dãy bổ xung: 28, 36, 45, 55, 70, 90, 110, 140, 180, 220,
280, 360.
+ Đối với cần đẩy:
Đờng kính thông thờng của cần đẩy:
d = (0,25 ữ 0,35)D
. Dãy số cơ bản của d (mm): 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 60,
80, 100, 125, 160.
. Dãy bổ xung: 14, 18, 22, 28, 36, 45, 70, 90, 110, 140, 180.
5- Chọn ống dẫn dầu:
- Tuỳ theo công dụng và chức năng của từng đoạn ống mà ta chọn
ống cứng bằng kim loại hoặc chọn ống mềm bằng hợp chất cao su sợi hoặc
chất dẻo. ống mềm thờng dùng để dẫn dầu cho các bộ phận di động. Đặc
trng cơ bản của ống dẫn là tiết diện ngang tơng ứng với kích thớc đờng
kính trong của ống đã đợc tiêu chuẩn hoá. Các ống cứng thờng đợc dùng
các ống kim loại thép không hàn, ống đồng, hoặc hợp kim nhôm.
- Khi dầu chảy trong các ống, một phần năng lợng phải tiêu tốn để,
khắc phục ma sát giữa các phần tử chất lỏng với nhau, giữa chất lỏng và
thành vách của ống và những tổn thất cục bộ khác, do đó có tổn thất về áp
lực p.
Trong trờng hợp tổng quát tổn thất này đợc xác định theo công thức:
l v2
p =
(a)
d 2g
- là hệ số cản của lực ma sát;
- là độ nhớt động học của dầu;
l - là chiều dài của đoạn thẳng ống dẫn;

2[ ] k
d 1,13

p - áp lực lớn nhất (a).
[]k - ứng suất kéo cho phép (ống thép ống đồng).
[]k = 40 ữ 60 M . a ;
- Với ống đồng và hợp kim đồng thau []k = 25 M . a
d - đờng kính trong của ống (m).
Sau khi tính toán đợc các thông số kể trên, căn cứ vào công dụng và
chức năng của ống mà chọn theo tiêu chuẩn.

6- Chọn các thiết bị khác:
Các thiết bị khác nh: các van đảo chiều, van an toàn, van tiết lu,
v.v... đều đã đợc tiêu chuẩn hoá. Do đó khi chọn các thiết bị này trớc hết
cần căn cứ vào sự bố trí và chức năng của thiết bị đó trên sơ đồ truyền dẫn
để tính lu lợng và áp lực làm việc của chúng. Từ đó sẽ dựa vào các bảng hớng dẫn để chọn cụ thể.
- Trong trờng hợp cần thiết, trừ bộ ổn tốc, còn tất cả các thiết bị khác
đều có thể làm việc với lu lợng lớn hơn lu lợng định mức của thiết bị đó,
nhng không đợc vợt quá 40%.
- Tổn thất áp lực trong các thiết bị này cũng đợc tiêu chuẩn hoá theo
bảng dới đây:
15


(Theo ký hiệu của LB.Nga).
Ký hiệu

Tên gọi

Tổn thất áp lực (M. a)


0,30 ữ 1
0,15 ữ 0,20

52

Van tràn

0,20 ữ 0,30

IV- tính toán thiết kế hệ thống truyền dẫn
thuỷ lực.
Để thiết kế truyền dẫn thuỷ lực cho một máy hoặc một thiết bị cụ thể
nào đó, trớc hết phải có những tài liệu xác định rõ nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể.
Các tài liệu này phải chỉ rõ:
1- Các thành phần chu kỳ làm việc của máy hoặc của các bộ phận
công tác.
2- Đặc tính của chuyển động do truyền dẫn thuỷ lực phải đảm
nhiệm. Mối quan hệ giữa chuyển động này với những chuyển động do các
dạng truyền dẫn khác thực hiện.
3- Tải trọng tính toán trên các cơ cấu công tác của máy.
4- Những điều kiện làm việc của máy.
5- Mức độ tham gia của hệ thống điện và các hệ thống khác vào việc
điều khiển máy.
6- Các yêu cầu riêng khác.
Khi thiết kế cần sử dụng tới mức tối đa các cơ cấu, thiết bị, các bộ
phận và cả các chi tiết đã đợc tiêu chuẩn hoá. Mặt khác cần quan tâm ứng
dụng các tiến bộ kỹ thuật mới.
Dới đây sẽ trình bày một ví dụ về tính toán thiết kế truyền dẫn thuỷ
lực.


4

9 7

10
2

8

6
1

Nguyên tắc làm việc của sơ đồ truyền dẫn:
+ Với những tốc độ của hành trình làm việc dới 0,1m/sec, van 4 nằm
ở vị trí I, còn van 10 nằm ở vị trí "mở". Dầu sẽ đi từ bơm 6, qua van tiết l u
7, qua van điều khiển 4 vào buồng có cần đẩy của xi lanh 5. Dầu từ buồng
đối áp sẽ qua van 4 chảy về bể. Dầu thừa do bơm 6 đẩy lên sẽ qua van an
toàn 8 về bể. Lúc này dầu do bơm 2 đẩy lên sẽ qua van 10 về bể. Van một
chiều 3 không cho dầu từ bơm 6 đẩy lên qua van tiết lu 7 lại chảy về bể qua
van 10.
+ Với những tốc độ của hành trình làm việc lớn hơn 0,1 m/sec; lúc
này van 10 ở vị trí "đóng" không cho dầu qua van này về bể. Khi đó dầu từ
bơm 2, qua van một chiều 3 sẽ bổ sung thêm cho dòng dầu từ bơm 6 đẩy
lên để thực hiện cấp tốc độ điều chỉnh lớn hơn.
+ Trong hành trình chạy không, van điều khiển 4 nằm ở vị trí III. Khi
đó dầu từ bơm 6 bơm lên qua van 4, chảy vào buồng không có cần đẩy của
xi lanh 5. Dầu từ buồng kia sẽ qua van 4, van một chiều 9 bổ sung vào dòng
dầu cơ bản. Nh vậy các buồng của xi lanh 5 lúc này đợc nối với nhau, nên
chuyển động của hành trình chạy không theo sơ đồ vi sai.

g. t o
PQ.t - lực quán tính.
G - trọng lợng của các bộ phận và cơ cấu chuyển động.
g - gia tốc trọng trờng.
v - vận tốc lớn nhất của cơ cấu chấp hành.
to - thời gian khởi động tính từ lúc v = 0 đến lúc vận tốc đạt đến vận
tốc công tác, thông thờng: to = (0,01 ữ 0,5) sec. Khi chọn to = 0,3 sec ta sẽ
có:
PQ.t =

3,510
. 3 .0,33
0,4 KN
9,81.0,3

Diện tích của pít tông về phía buồng làm việc:

18


F1 =

Pmax
=
P. v

10010
. 3
= 0,02 m2
5

Trong hành trình chạy không hai buồng của xi lanh nối thông với
nhau, do đó dầu không về bể mà dầu từ buồng có cần đẩy lại chảy qua van
4, van 9 để vào buồng không có cần đẩy.
Vậy nếu ta bỏ qua các tổn thất thì có thể coi áp lực trong hai buồng
của xi lanh lúc này xấp xỉ bằng nhau và gần bằng áp lực làm việc của bơm
trong hành trình chạy không. Pít tông chuyển động là do diện tích của hai
phía khác nhau Fs. l > F1 . Nếu gọi p1 là áp lực trong buồng không có cần
đẩy trong hành trình chạy không, ta có phơng trình:
p1. l Fs. l = p1F1 + Pms.o + PQ.t
Giải phơng trình trên ta có:
Pm .s.o + PQ. t
0,1 + 0,4
=
p1 =
= 0,38 ì 105 N/m2
Fs. F1
0,033 0,02
+ Khi chạy không lực đẩy là:
Po = p1 ì Fs.l = 0,38 ì 105 ì 0,033 = 1,254 KN
19


2- Tính các thông số của xi lanh:
- Đờng kính của xi lanh:
Fs. = 1,13 0,033 = 0,250 m
D = 250 mm.
- Đờng kính của cần đẩy pít tông.
D = 1,13

d = 1,13

pb = 59 ì 105 (a)
Căn cứ vào lu lợng và áp suất của bơm vừa mới tính đợc ta chọn
bơm. Do điều chỉnh bằng phơng pháp tiết lu nên phải chọn bơm có năng
xuất không thay đổi (có thể là bơm cánh gạt, hoặc bơm bánh răng).
- Lu lợng Qb = 140 l/phút < 198 l/phút, (xem ở phần hớng dẫn chọn
bơm: nếu Qb 3,3 ì 10-3 m2/sec = 198 l/phút thì nên chọn bơm cánh gạt).
Do đó ta chọn bơm cánh gạt tiêu chuẩn:
-12 có: Qb = 140 l/phút
pb = 63 ì 105 (a)
Hiệu suất thể tích
tt = 0,91

20


Hiệu suất chung
= 0,7
Công suất
N = 34 KW
4- Tính toán đờng kính của ống dẫn dầu:
Trong ví dụ này chúng ta chỉ tính cho đoạn từ van 4 đến xi lanh 5,
còn các đoạn khác cách tính cũng tơng tự. Theo sự hớng dẫn ở phần chọn
ống dẫn dầu ta có:
dống = 1,13

Qb
(m)
v

Qb - là lu lợng của bơm.

- Lợng dò chảy của van này trong áp lực làm việc lớn nhất và nhiệt
độ dầu 45 ữ 50oC không vợt quá 0,05 l/phút.
6- Chọn van tiết lu:
21


Căn cứ vào lu lợng và áp lực ta chọn van tiết lu 77. Van này có lu lợng lớn nhất đi qua là 140 l/phút và nhỏ nhất là 1l/phút (phù hợp với lu lợng của bơm là 140 l/phút; cần lu ý là van này chỉ cho lu lợng của bơm 6
đi qua mà thôi).
7- Chọn dầu: Theo sự hớng dẫn ta có thể chọn "dầu công nghiệp 20".

22