Chương 4: MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH docx

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

công suất của bơm. Khi đó lưu lượng của MTLTT chỉ phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của
pittông.
Nhưng trong thực tế, buồng làm việc của MTLTT không thể bảo đảm tuyệt đối kín được
với mọi trị số áp suất. Khi tăng tải trọng làm việc đến mức nào đó sẽ xuất hiện sự rò rỉ chất lỏng,
nếu tiếp tục tăng thì đến một trị số áp suất giới hạn nào đóthì lưu lượng của máy sẽ hoàn toàn
mất mát do rò rỉ. Ngoài ra áp suất làm việc còn bị giới hạn bởi sức bền của máy.
Do đó để đảm bảo sự làm việc bình thường của MTLTT, phải hạn chế áp suất làm việc
tối đa bằng cách dùng van an toàn. Khi tải trọng ngoài tăng đến mức độ nguy hiểm thì van an
toàn sẽ tự động thải bớt chất lỏng để giảm áp suất làm việc của máy.
a) Lưu lượng: Lưu lượng lý thuyết Q
l
(lưu lượng chưa kể tới sự rò rỉ) :
Q
l
= q
l
.n (4-1)
q
1
: lưu lượng riêng của máy (trong một chu kỳ làm việc) nó cũng chính là thể tích làm việc của
máy trong một chu kỳ.
n: số chu kỳ làm việc của máy trong một đơn vị thời gian (thường bằng số vòng quay của trục
máy)
Lưu lượng lý thuyết Q
l
lớn hơn lưu lượng thực tế Q của máy vì thực tế bao giừo cũng có
sự rò rỉ. Q
1
là lưu lượng tính trong cả quá trình trong một đơn vị thời gian nên còn gọi là lưu
lượng trung bình lý thuyết. Khác với máy thủy lực cánh dẫn, lưu lượng tức thời của MTLTT

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:

N
l
= Q
l
.p (4-6)
Mặt khác: N
l
= ω.M (4-7)
nên:
p
Q
M
l
.
ω
=
(4-8)
So sánh (4-8) và (4-4) ta có:
53
πω
2
ll
M
qQ
k ==
(4-9)
Hệ số mômen thực tế nhỏ hơn hệ số mômen lý thuyết và phụ thuộc vào hiệu suất toàn
phần η của máy
Mômen quay M tính theo công thức (4-8) là trường hợp lý thuyết dùng chung cho cả
bơm và động cơ.

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:

η = η
Q
.η
C
.η
H
Đối với MTL tổn thất thủy lực tương đối nhỏ (vì động năng của các phần tử chất lỏng
nhỏ) nên thường cho η
H
≈ 1, do đó:
η = η
Q
.η
C
(4-12)
Công suất làm việc của bơm thường được xác định bằng các thông số thủy lực:
ηη
γ
QpHQ
N
B

==
(4-13)
Công suất làm việc của động cơ thường được xác định bằng các thông số cơ khí:
- Đối với động cơ có chuyển động tịnh tiến:
N
Đ
= P.v (4-14)
P: áp lực trên pittông

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,

khoá phun mở ra, chất lỏng từ ngăn công tác được đẩy vào
ống đẩy. Như vậy qua mỗi vòng quay của trục động cơ
(một chu kỳ di chuyển của quả nén), trong bơm sẽ thực
hiện một lần hút và một lần đẩy chất lỏng.
Nhược điểm của loại bơm này là cấp chất lỏng
không đều và có nhiều chi tiết dễ bị bào mòn như: các van,
khoá, xi lanh.
Tác động của các hộp không khí lắp trên bơm:
Trước khi cho máy bơm hoạt động, người ta đổ chất lỏng
vào bơm làm đầy ống hút và một phần của hộp không khí.
Sau đó đống khoá ngăn cách giữa hộp không khí với khí
trời.
55
2
4
5
Kr
V
S
Kv
31
S =
2r
M
6
Hộp không khí nén
Pa
H1
h1
Kv

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

) (4-16)
Trong đó:
ω
- Diện tích tiết diện của quả nén (m
2
)
56
Kr
Kr
Kv
A
Kv
B
s – Bước di chuyển của quả nén (m).
Lượng chất lỏng này sẽ được chuyển vào ống đẩy của bơm ngay sau khi kết thúc quá
trình ép chất lỏng.
Như vậy qua mỗi chu kỳ di chuyển của quả nén thì bơm vận chuyển được một thể tích
chất lỏng là W (xác định từ biểu thức 4-16).
Nếu trong một phút trục động cơ quay được n vòng hay là n lần quả nén di chuyển và trở
lại vị trí ban đầu của nó, thì thể tích chất lỏng chảy vào ống phun là:
Q
lt
=
ω
. s . n (m
3
/ph)
Hoặc
60
ns

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

- hệ số đầy (hay hệ số thể tích), thường chọn
η
v
= (0,85
÷
0,99).
Đối với bơm pittông tác động kép, qua mỗi vòng quay của trục động cơ (tức một bước
kép di chuyển của quả nén) sẽ có một thể tích chất lỏng từ ngăn A chảy vào ống phun là:
W
1
=
ω
. s
Và từ ngăn B là: W
2
= (
ω
-
ω
p
). s
Trong đó:
ω
p
- diện tích tiết diện của pittông.
Như vậy nếu động cơ quay n (v/ph) thì năng suất của bơm tác động kép là:
vT
nWW
Q
η

.
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.

- Thay đổi diện tích làm việc của pit tông bằng các cơ cấu đặc biệt.
- Thay đổi chiều dài bước di chuyển của quả nén (s) bằng cách thay đổi chiều dài làm
việc của tay biên hoặc thanh truyền.
57
4.2.3. Cột áp quán tính, áp suất của bơm pittông
a) Cột áp quán tính
Vận tốc chuyển động của chất lỏng trong bơm phụ thuộc vào vận tốc của pittông v = f(t),
có gia tốc
0≠
dt
dv
(có thể dương hoặc âm). Khối chất lỏng có khối lượng m chuyển động trong
bơm sẽ chịu tác dụng của một lực quán tính là:
dt
dv
mI
qt
−=
(4-20)
Do vận tốc v của pittông thay đổi có chu kỳ nên gia tốc
dt
dv
cũng thay đổi một cách có
chu kỳ cả về phương và trị số tuyệt đối, do đó lực quán tính sinh ra trong bơm pittông chính là
một tải trọng động có chu kỳ. Tải trọng động này đôi khi rất lớn, nhất là đối với những bơm lớn
có hệ số không đều về lưu lượng, ảnh hưởng không tốt đến bơm, đường ống và các bộ phận
khác. Như vậy dòng chảy trong bơm là dòng không ổn định.
Xét một dòng nguyên tố chất lỏng chuyển động trong bơm từ mặt cắt (1-1) đến mặt cắt
(2-2) bất kỳ nào đó. Vì dòng không ổn định nên biến thiên năng lượng đơn vị toàn phần của
dòng chảy ngoài để khắc phục lực cản còn để khắc phục lực quán tính xuất hiện trên đoạn 1-2.

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
=
∂
∂
+
∂
∂
+









++
∂
∂
t
v
gsg
vp
Z
s
σ
γ
(4-21)
Trong đó:
s∂
∂
σ
là biến thiên của năng lượng do sức cản dọc theo dòng chảy;
v: vận tốc trung bình của dòng chảy;
Tích phân (4-21) ta được phương trình Becnuli cho toàn dòng không ổn định trong bơm
pittông:
constds
t
v
g
h
g

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

t
v
g
h
qt
1
(4-23)
58
b) Áp suất của bơm pittông
* Áp suất của bơm pittông trong quá trình hút: có ảnh hưởng lớn đến khả năng hút và điều kiện
làm việc của bơm.
Xét một bơm pittông tác dụng đơn làm việc trong hệ thống. Viết phương trình Becnuli
cho mặt cắt (a-a) và (b-b), lấy mặt chuẩn tại (a-a):
qthh
xx
h
a
hh
g
vp
Z
p
+Σ+++=
2
2
11
γγ
(4-24)
p
x1

: 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

Vì vận tốc v
x1
chỉ phụ thuộc vào thời gian nên
d
dt
dv
t
v
xx 11
=
∂
∂
và
dt
dv
g
xL
h
xlh
qth
.
)( +
=
(4-25)
x: khoảng cách từ mặt làm việc của pittông đến vị trí giới hạn chuyển động của pittông.
Trong trường hợp tổng quát (ống hút có nhiều đoạn nối với các đường kính khác nhau) thì
∑
=
=
n

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
g
v
Z
pp
xlh
h
x
h
ax
.
)(
2
2
11
γγ
(4-26)
59
Nhận xét: áp suất trong quá trình hút của bơm p
x1
có trị số nhỏ nhất khi pittông mới bắt đầu
chuyển động (x=0) và lớn nhất ở cuối hành trình (x = S), do đó điều kiện để bơm làm việc bình
thường, không có hiện tượng xâm thực trong quá trình hút là:








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

h
a
∆+≥






+Σ++−
γγ
(max)
2
1
2
(*)
Đối với bơm pittông được truyền dẫn bằng cơ cấu thanh truyền tay quay, khi x = 0 có:
R
g
L
h
h
qt
.
2
(max)
ω
=
Do đó:
h

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

2
(**)
* Áp suất của bơm pittông trong quá trình đẩy
Tương tự như quá trình hút, ta viết phương trình Becnuli cho dòng chảy không ổn định
giữa hai mặt cắt (b-b) và (c-c), lấy mặt cắt (b-b) làm chuẩn:
qtđđ
cc
đ
xx
hh
g
vp
Z
g
vp
+Σ+++=+
22
22
22
γγ
(4-27)
p
x2
, v
x2
: áp suất và vận tốc chất lỏng buồng làm việc tại thời điểm xét trong quá trình đẩy
Z
đ
: chiều cao đẩy địa hình
Σh

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

đ
= M
lđ
. η
C
(4-51)
N
đ
= N
lđ
. η
C
(4-52)
η
C
: hiệu suất cơ khí của động cơ
* Số vòng quay:
Số vòng quay lý thuyết trong một phút của động cơ bánh răng là:
q
Q
n
lđ
=
(v/ph) (4-53)
Q: lưu lượng chất lỏng cung cấp cho động cơ tính bằng cm
3
/ph
q: lưu lượng riêng của động cơ, tính bằng cm
3
Số vòng quay thực tế phụ thuộc vào tổn thất lưu lượng của động cơ

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

lỏng trong đó bị đẩy từ vị trí C đến C' và từ C' đến C'' ở vòng quay tiếp theo. Nếu trục vít quay
liên tục thì chất lỏng được chuyển từ bọng hút A đến bọng đẩy B cũng liên tục đều đặn. Nhược
điểm cơ bản của bơm hai trục vít ren chữ nhật (hoặc ren hình thang) là các tổn thất lưu lượng,
thuỷ lực và cơ khí tương đối lớn, do đó hiệu suất của bơm tương đối thấp. Đặc biệt sự tổn thất
lưu lượng trong bơm (do có sự chảy rò chất lỏng từ bọng đẩy về bọng hút qua các khe hở) là
nguyên nhân chính ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu suất của bơm.
Biện pháp nhằm hạn chế tổn thất lưu lượng trong bơm hai trục vít là có thể tăng số bước
ren của mỗi ren và đồng thời giảm chiều dài bước ren đến mức độ cho phép. Có như thế thì kích
thước của bơm sẽ không tăng nhiều và hiệu suất cơ khí của bơm cũng không thể giảm thấp.
Ngày nay người ta đã chế tạo và sử dụng nhiều loại bơm ba trục vit có tính năng làm việc
cao.
Hình 4-13a là sơ đồ kết cấu của bơm ba trục vít có dạng ren Xiclôit, bơm này có trục vít
chủ động 1 ăn khớp với trục vít bị động 2 và thân bơm 3 có hai lần vỏ nên khả năng tản nhiệt
được tốt hơn.
Tuy nhiên bơm ba trục vít cũng có nguyên lý làm việc tương tự như bơm hai trục vít.
Trên mặt cắt ngang của bơm ba trục vít (hình 4-13b) ta thấy hầu như không có khe hở
giữa các mặt ren Xiclôit khi các trục vít ăn khớp với nhau, nghĩa là loại bơm này có thể tích làm
việc kín hơn so với bơm hai trục vít. Do đó hiệu suất lưu lượng của bơm ba trục vít là lớn và
ngoài ra có thể làm tăng góc nâng của mối ren nên hiệu suất cơ khí cũng cao hơn nhiều so với
bơm hai trục vít.
Như vậy bơm ba trục vít với dạng ren Xiclôit có hiệu suất và tính năng làm việc cao hơn
bơm hai trục vít. Từ đó cho thấy vì sao loại bơm này ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong
công nghiệp nói chung và trong truyền động thuỷ lực nói riêng.
a) b)
71
D
d
I-I

Hình 4 - 13

* 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

Với D, d - đường kính của đỉnh và chân ren, dm.
Vậy lưu lượng thực tế trong một giây của bơm hai trục vít là:
)(
240

.
22
12
dD
nt
QQ
v
v
−==
πη
η
(l/s) (4-81)
η
V
- hiệu suất lưu lượng (thể tích) của bơm hai trục vít,
η
V
= 0,75
÷
0,85
Bằng phương pháp tương tự, người ta đã tính được lưu lượng của bơm ba trục vít theo
công thức gần đúng sau:
v
ndQ

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

η
3
max
8175
≤
(v/ph) (4-83)
Khi tính toán sơ bộ ta chọn:
η
V
= 0,80
÷
0,85.
b) Động cơ trục vít
Nếu cho dòng chất lỏng có áp suất đủ lớn vào họng đẩy B của bơm trục vít thì các bơm sẽ
trở thành động cơ thủy lực trục vít.
Mômen quay trên trục của động cơ trục vít xác định theo công thức:
p
Q
M
ĐĐ

η
ω
=
(4-84)
Q: lưu lượng thực tế của động cơ
η
Đ
: hiệu suất động cơ
p: áp suất làm việc của động cơ (áp suất chất lỏng làm việc trong động cơ)

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.

Từ nguyên lý làm việc nêu trên, ta thấy lưu lượng của bơm không đều, nó nhỏ nhất khi
cánh gạt bắt đầu vào vị trí I và lớn nhất khi cánh gạt ở vị trí C-C. Điều quan trọng là phải bố trí
các cánh gạt trên Rô-to sao cho khi cánh gạt này bắt đầu ở vị trí I thì cánh gạt kia cũng vừa ở vị
trí II (nghĩa là thôi không gạt chất lỏng nữa). Cách bố trí này sẽ đảm bảo cho chất lỏng không
chảy ngược từ bọng đẩy về bọng hút và không bị "đọng lại" trong thể tích làm việc của bơm.
73
Hình 4-14 Hình 4-15
Trên thực tế để lưu lượng của bơm được ổn định, người ta thường tăng số cánh gạt trong
bơm từ 4 đến 12. Ví dụ hình 4-15 là sơ đồ kết cấu của bơm 6 cánh gạt. Với sơ đồ kết cấu này thì
các gờ chắn AB ngăn không cho chất lỏng chảy ngược (từ buồng đẩy về buông hút) phải có
chiều dài thích hợp. Ở đây, lưu lượng nhỏ nhất của bơm khi cánh gạt bắt đầu đến điểm A hoặc
điểm B và lớn nhất khi cánh gạt ở giữa cung AB. Cung AB chứa góc ở tâm α tạo bởi hai cánh
gạt hướng tâm và đặt chính giữa cung trên vỏ bơm. Bơm này không có là xo đẩy tỳ các cánh gạt
vào thành vỏ nhưng nối thông các đầu rãnh phía trong rô-to với bọng đẩy đã tạo nên áp suất cao
làm cho các cánh gạt luôn được tỳ vào thành vỏ.
Qua hai bơm đã giới thiệu ở trên ta thấy trong một chu kỳ làm việc (hay một vòng quay
của rô-to) bơm thực hiện được một lần đẩy và một lần hút chất lỏng, nên gọi là bơm tác dụng
đơn. Nhược điểm chính của bơm tác dụng đơn là khi bơm làm việc với áp suất cao thì tải trọng
tác dụng lên ổ trục lớn. Để khắc phục nhược điểm này người ta chế tạo ra bơm cánh gạt tác dụng
kép (hình 4-16a).
Khác với bơm tác dụng đơn, mặt trong của vỏ bơm tác dụng kép không phải là mặt trụ,
tâm của rô-to trùng với tâm của vỏ bơm. Bơm có hai bọng hút (AB, EF) và hai bọng đẩy (CD,
HG). Hai bọng hút nối với ống hút, hai bọng đẩy nối với ống đẩy. Các bọng hút và bọng đẩy
được bố trí trên các mặt bên của vỏ bơm và đối xứng với tâm vỏ.
Trong một chu kỳ làm việc, bơm tác dụng kép thực hiện được hai lần hút và hai lần đẩy
chất lỏng, nhờ đó bơm làm việc ổn định và áp suất cao hơn. Ngoài ra, do các bọng đẩy và bọng
hút bố trí đối xứng với nhau qua tâm nên tải trọng trên trục rô-to được giảm nhiều. Đôi khi người
ta làm các rãnh của rô-to không theo hướng kính mà lệch với hướng kính một góc
α
(khoảng 6 ÷

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/

2
a/
2
A
B
a
C
D
Hình 4-16.
Nhìn chung bơm rô-to cánh gạt có áp suất và hiệu suất làm việc tương đối thấp nên phạm
vi sử dụng của chúng hẹp hơn nhiều so với bơm bánh răng.
Tuy nhiên bơm cánh gạt có ưu điểm chung là kết cấu nhỏ gọn và đơn giản, riêng bơm tác
dụng đơn còn có thể điều chỉnh lưu lượng trong một phạm vi khá lớn. Do đó chúng thường được
dùng trong các đường ống phụ của truyền động thuỷ lực hoặc để cấp dầu trong các bộ phận bôi
trơn.
Các thông số của bơm rô-to cánh gạt:
- Số vòng quay làm việc n = 1000
÷
2000 v/ph,
- Áp suất làm việc tối đa:
p
≤
20 at, đối với bơm tác dụng đơn
p
≤
70 at, đối với bơm tác dụng kép
- Lưu lượng:
Q = 5
÷
150 l/s, đối với bơm tác dụng đơn

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

V
= 0,8
÷
0,9
r - bán kính mặt làm việc của vỏ bơm, dm
δ
- bề dày cánh gạt, dm
Z - Số cánh gạt.
Đối với bơm cánh gạt tác dụng kép ta có thể tính lưu lượng theo công thức:

( )






−
−−=
α
δ
π
η
cos
)(.
30

12
2
1

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

rôto và vòng nước tăng dần, áp suất tại đó giảm, không khí bị hút vào bơm qua miệng hút. Từ
mặt cắt CD đến AB thể tích không khí giữa vòng nước và rôto giảm dần, không khí bị cánh gạt
nén lại với áp suất cao hơn ở bọng hút và bị đẩy vào ống đẩy.
Trong quá trình rôto quay, áp suất ở miệng hút của bơm giảm dần tạo nên độ chân không
ngày càng cao trong ống hút. Vòng nước có tác dụng làm kín không cho không khí ở miệng đẩy
quay trở lại miệng hút. Vì thế gọi là bơm vòng nước.
Như vậy ta thấy nguyên lý làm việc của bơm chân không vòng nước cũng là nguyên lý
làm việc của bơm cánh gạt tác dụng đơn. Về kết cấu, bơm chân không vòng nước khác với bơm
cánh gạt ở chỗ các cánh gạt không trượt trong các rãnh rôto và không tỳ vào thành vỏ bơm vì
buồng làm việc được làm kín bằng vòng nước.
76