truyền động thủy khí

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
BỘ MÔN ĐỘNG LỰC
Th.S NGUYỄN ĐÌNH LONG
TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ
NHA TRANG - 2011
1
CHƯƠNG MỞ ĐẦU
A- KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Thiết bị thuỷ khí là môn học nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của các thiết bị
thuỷ lực và khí nén, và ứng dụng của chúng trong hệ truyền động và điều khiển bằng thuỷ
lực và khí nén. Đó là phần chuyên sâu của môn học thuỷ khí động lực kỹ thuật.
Như vậy, khi nghiên cứu truyền động thuỷ khí đòi hỏi phải nghiên cứu thiết bị thuỷ
khí.
Truyền động thuỷ khí bắt đầu được ứng dụng nhiều từ cuối thế kỷ 19 (1880 – phanh
bằng khí nén), đặc biệt truyền động thuỷ lực được sử dụng trong nhiều lĩnh vực từ những
năm 20 của thế kỷ 20 (1920 - trong máy công cụ, 1925 - trong nhiều lĩnh vực công nghiệp
khác, 1960 – trong tự động hoá). Thiết bị khí nén được sử dụng nhiều trong truyền động
(chuyển động thẳng, chuyển động quay – dẫn động máy công tác, đo kiểm chất lượng sản
phẩm) và đặc biệt là điều khiển tự động quá trình sản xuất (dây chuyền tự động) từ những
năm 50 của thế kỷ 20.
Thiết bị thuỷ lực trao đổi năng lượng với chất lỏng trong quá trình làm việc, trong khi
đó thiết bị khí nén trao đổi năng lượng với chất khí trong quá trình làm việc.
Chất lỏng và chất khí đều là một dạng vật chất có nhiều tính chất chung (nên có thể
coi chất khí là một loại chất lỏng đặc biệt), chúng tiềm tàng năng lượng chủ yếu ở ba dạng
chính là áp năng (
Vp.
), động năng (
2.
2
vm
) và thế năng (

hgm
). Tổng các thành phần
năng lượng của chúng được ký hiệu là E.
Theo đó:
hgm
vm
VpE
2
.
.
2

Đơn vị của năng lượng thường được tính bằng Nm/s hoặc kNm/s. Song để tiện cho
việc tính toán và nghiên cứu trong lĩnh vực riêng của chất lỏng, người ta chuyển sang tính
cho một đơn vị trọng lượng G của chất lỏng, ký hiệu là H [được gọi là năng lượng đơn vị
của chất lỏng].
Từ đó, ta có
G
hgm
G
vm
G
Vp
G
E

2

2


(0-1)
trong đó: p - áp suất của chất lỏng;
V - thể tích chất lỏng chiếm chỗ;
M - khối lượng chất lỏng;
v - vận tốc chuyển động tương đối;
g - gia tốc trọng trường;
G - trọng lượng riêng của chất lỏng,
gmG .
.
Ta có
G
E
H 
, với
gmG .
nên (0-1) được viết lại:
G
hgm
gG
gvm
G
Vp
H

.2

.

2




Hay
h
g
vp
H 
2
2

(0-2)
2
H được gọi là cột áp của một trạng thái của chất lỏng, đơn vị tính thường là mét cột
chất lỏng. Các cột áp thành phần có tên gọi như sau:

p
- cột áp áp năng,
g
v
2
2
- cột áp động
năng, h - cột áp thế năng.
B- PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ
B.1- Phương trình cơ bản của chất lỏng
Nếu chất lỏng là loại lý tưởng (độ nhớt bằng không) lưu động từ điểm đầu (1) sang
điểm cuối (2) không bị mất mát năng lượng (không trao đổi năng lượng với bên ngoài) thì
ta có
21
EE 

hay
21
HH 
, nghĩa là
2
2
22
1
2
11
22
h
g
vp
h
vp


Từ đó, phương trình (0-2) được viết dưới dạng chung là:
consth
g
vp

2
2

(0-3).
Đó là phương trình Becnuli được viết cho chất lỏng ở dạng tổng quát.
Đối với chất lỏng thực (độ nhớt khác 0), nếu trường hợp nó chuyển động từ điểm 1
sang điểm 2 không có trao đổi năng lượng với bên ngoài, cột áp ổn định thì vẫn phải chi

phí một phần năng lượng vào việc thắng sức cản dọc đường và một số tổn thất cục bộ. Giá
trị tổn thất này được gọi là tổn thất cột áp, ký hiệu là h
tt
. Lúc này, phương trình được viết
như sau:
)21(2121 

tttt
hHHEEE
Hay
)21(2
2
22
1
2
11
22


tt
hh
g
vp
h
vp

Tổn thất thuỷ lực bao gồm tổn thất dọc đường h

và tổn thất cục bộ h



hhh
tt

 )21(
,
g
v
d
l
h
2

2



và
g
v
h
2
.
2



trong đó:

- hệ số tổn thất dọc đường;

l - chiều dài đoạn ống mà dòng chất lỏng chảy qua;
d - đường kính trong của ống;
v - tốc độ trung bình của dòng chảy;

- hệ số tổn thất cục bộ.
Trong thực tế, thường đường ống có nhiều đoạn có kích thước khác nhau và có nhiều
bộ phận phụ nên tổn thất thuỷ lực có dạng chung như sau:
 


hhh
tt
hay
g
v
g
v
d
l
h
i
n
i
i
i
n
i
i
i
tt

2
.
2

2
1
2
1




Một số ít trường hợp, đối với dòng chất lỏng thực (
0

) chảy không ổn định
(
varv
), do tồn tại quán tính (nghĩa là chất lỏng chuyển động có gia tốc a) nên phương
trình cân bằng năng lượng tổng quát có dạng sau:
qttt
HhHH 
 )21(21
Đối với bơm, cột áp của nó có dạng:
G
EE
H
vaora
b



hay
vaorab
HHH 
3
)
2
()
2
(
1
2
11
2
2
22
h
g
vp
h
vp
H
b


Vì dòng chảy tại cửa vào và cửa ra của bơm là dòng chảy rối nên
)
2
.
()

2
.
(
1
1
2
11
2
2
2
22
h
g
vp
h
vp
H
b





trong đó:

1
- hệ số điều chỉnh động năng ở cửa vào;

2
- hệ số điều chỉnh động năng ở cửa ra.

Công thức tính cột áp của bơm có thể viết lại như sau:
)
2
.
2
.
()(
1
2
12
2
2
21
12
g
v
g
v
hh
pp
H
b





Tổng thành phần
)(
21

12
hh
pp



được gọi là cột áp tĩnh,
)(
21
12
hh
pp
H
t




và
)
2
.
2
.
(
1
2
12
2
2

g
v
g
v


được gọi là cột áp động,
)
2
.
2
.
(
1
2
12
2
2
g
v
g
v
H
d


. Ta có
dtb
HHH 
Nếu dòng chảy liên tục và không phân nhánh thì lưu lượng dòng chảy trong ống là

không đổi:
vFQ .
(0-4)
trong đó: F - diện tích tiết diện của dòng chảy;
v – tốc độ dòng chảy tại tiết diện tương ứng.
Đó chính là phương trình lưu lượng.
Phương trình liên tục (dòng chảy không có điểm dừng, không phân nhánh) có dạng:
constvFQ  .
(0-5)
Phương trình Becnuli và phương trình liên tục là hai phương trình cơ bản của chất
lỏng.
B.2- Phương trình cơ bản của chất khí
Phương trình trạng thái của khí lý tưởng có dạng:
TRvp 
(0-6)
trong đó: p – áp suất tuyệt đối, N/m
2
;
v - thể tích riêng của khí, m
3
/kg;
R - hằng số khí, J/kg
0
K;
T – nhiệt độ tuyệt đối,
0
K.
Trong thực tế, nếu một loại khí nào đó có nhiệt độ T cao hơn nhiệt độ tới hạn T
th
rất

nhiều và ở áp suất rất thấp thì có thể coi là khí lý tưởng. Đối với loại khí có nhiệt độ T gần
với nhiệt độ tới hạn T
th
và có áp suất cao thì không thể coi là khí lý tưởng. Do đó, trong
tính toán phải dùng phương trình trạng thái của khí thực sau:
TRbvp .)(. 
(0-7)
Hoặc
TRvp


(0-8)
trong đó:

– hệ số nén ép, đối với khí lý tưởng thì
1

;
b - hiệu số thể tích của khí thực và khí lý tưởng ở cùng điều kiện nhiệt độ
và áp suất.
4
Quan hệ giữa  và b là
TR
bp
.
.
1

)1(.
.



p
TR
b
(0-9)
Ngoài ra, người ta còn dùng chỉ số sai lệch độ nén ép:










p
T
R
b
vp
b 1
.
273273.
00


(0-10)
Từ đó


.273Rb 
1
.273

T
p


Như vậy thể tích riêng của khí thực được xác định theo công thức:








 R
p
T
Rv 273.
, m
3
/kg (0-11)
Khi tính toán, các giá trị  nhận được bằng cách tra đồ thị trong tài liệu chuyên ngành.
C- TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ
1- Tính chất chung
Chất lỏng và chất khí có tính liên tục và dễ di động, bản thân chất lỏng không có hình
dạng nhất định và lấy theo hình dạng bình chứa hay ống dẫn.

Các chất lỏng “nước” là loại chất lỏng có tính chống nén cao (thể tích thay đổi không
đáng kể khi áp suất thay đổi lớn).
Chất khí có thể tích phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, là chất nén được và chiếm hết
không gian của bình chứa hoặc ống dẫn nó.
2- Khối lượng riêng và trọng lượng riêng
Khối lượng riêng  là khối lượng của một đơn vị thể tích chất lỏng
V
M


(0-12)
trong đó: M - khối lượng của chất lỏng;
V - thể tích của chất lỏng.
Chất lỏng có khối lượng M chiếm một thể tích V, chịu sức hút của trái đất với gia tốc
trọng trường g thì có trọng lượng
gMG .
.
Theo đó, trọng lượng riêng của chất lỏng được xác định theo công thức:
g
V
G
.


(0-13)
Trong thực tế, đối với chất lỏng “nước”, người ta còn dùng khái niệm tỷ trọng , đó là
tỷ số giữa trọng lượng riêng của chất lỏng với trọng lượng riêng của nước ở nhiệt độ 4
0
C:
nuoc





(0-14)
3- Tính nén được và tính giãn nở của chất lỏng
Tính nén được là tính làm giảm thể tích của chất lỏng khi thay đổi áp suất. Tính nén
được được đặc trưng bởi hệ số nén 
p
, là sự thay đổi thể tích tương đối khi áp suất thay đổi
đi một đơn vị.
5
0
.
1
V
V
p
p




, m
2
/N (0-15)
trong đó: Dấu “ - ” chỉ ra rằng sự thay đổi về thể tích và áp suất luôn ngược nhau;
V
0
- thể tích ban đầu của chất lỏng;


V - lượng thay đổi thể tích của chất lỏng,
0
VVV 
;

p - lượng thay đổi áp suất của chất lỏng,
0
ppp 
.
Trong kỹ thuật, người ta thường dùng nghịch đảo của hệ số nén, gọi là môđun đàn hồi
của chất lỏng, ký hiệu là E:
p
E

1

, N/m
2
(0-16)
Hệ số nén của chất lỏng nói chung phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Chẳng hạn tính
trung bình đối với nước ở nhiệt độ và áp suất bình thường thì
28
/10.2 mNE 
, khi áp suất
tăng lên 1 N/m
2
thì thể tích của nước giảm đi
8
10.21

lần nên có thể coi nước không nén
được.
Tính giãn nở là tính chất của chất lỏng thay đổi thể tích khi nhiệt độ thay đổi. Sự giãn
nở vì nhiệt được đặc trưng bởi hệ số giãn nở 
t
, là sự thay đổi tương đối của thể tích khi
nhiệt độ thay đổi đi một độ.
0
.
1
V
V
T
t




, m
2
/N (0-17)
trong đó: V
0
- thể tích ban đầu của chất lỏng;

V - lượng thay đổi thể tích của chất lỏng,
0
VVV 
;


T - lượng thay đổi áp suất của chất lỏng,
0
TTT 
.
Chất khí có tính nén được khi tăng áp suất và giãn nở khi tăng thể tích.
4- Sự trao đổi nhiệt lượng và khối lượng
Khác với chất lỏng lý tưởng, ở chất lỏng thực xảy ra quá trình trao đổi nhiệt lượng và
khối lượng.
Sự truyền nhiệt được đặc trưng bằng định luật Furiê:
dn
dT
q
q
.


(0-18)
Còn sự truyền khối lượng được đặc trưng bằng định luật Fich:
dn
dC
Dm .
(0-19)
trong đó: q, m - nhiệt lượng và khối lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt
tiếp xúc trong một đơn vị thời gian, gọi là dòng nhiệt và dòng khối lượng ;
T, C - nhiệt độ và nồng độ của chất lỏng;

q
, D - hệ số dẫn nhiệt và hệ số khuếch tán.
5- Tính nhớt
Tính nhớt là thuộc tính của chất lỏng cản trở sự biến dạng trượt của bản thân nó, hay

nói cách khác là thuộc tính của chất lỏng cản trở lại lực trượt (lực cắt). Tính nhớt là nguyên
nhân cơ bản gây ra lực cản trong của chất lỏng. Thuộc tính đó không xuất hiện khi chất
lỏng ở trạng thái tĩnh, mà chỉ xuất hiện khi chất lỏng chuyển động.
Tính nhớt được đánh giá qua độ nhớt động  và độ nhớt động lực .
6
6- Tính đàn hồi
Khi được giữ trong một bình chứa kín, chất khí tác dụng lên tất cả các phần tử của
thành bình một áp suất bằng nhau tại mọi điểm.
7
CHƯƠNG 1
TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY KHÍ
1.1- KHÁI NIỆM CHUNG
Truyền động là tổ hợp các cơ cấu dùng để truyền chuyển động, thông thường có biến
đổi tốc độ và mômen quay tương ứng. Nhờ việc áp dụng truyền động giúp giải quyết được
một số yêu cầu như thay đổi tốc độ, chiều chuyển động, biến đổi dạng hay qui luật chuyển
động, dùng một động cơ lai nhiều máy công tác.
Theo đó, truyền động thủy lực là tổ hợp các cơ cấu thủy lực (bao gồm cả bơm thủy
lực và động cơ thủy lực) dùng để truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến các bộ phận
công tác bằng năng lượng thuỷ lực, trong đó có thể có biến đổi vận tốc, lực, mômen và
biến đổi dạng hay qui luật chuyển động.
Tùy theo nguyên lý làm việc, truyền động thủy lực được chia làm 2 loại: truyền động
thủy động và truyền động thủy tĩnh (thể tích).
Trong truyền động thủy động, việc truyền cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận
bị dẫn chủ yếu được thực hiện bằng động năng của dòng môi chất công tác (dầu thủy lực)
tuần hoàn. Truyền động thủy động bao gồm bơm ly tâm và tuabin thủy lực được bố trí sát
nhau sao cho các bánh công tác của chúng tạo thành một khoang hình xuyến chứa đầy môi
chất công tác. Thiết bị truyền động thủy động bao gồm 2 dạng: khớp nối thủy lực và biến
tốc thủy lực (truyền động vô cấp). Truyền động thủy động được dùng phổ biến trong hệ
thống truyền lực ôtô, xe lửa, thiết bị động lực tàu thủy, …
Trong truyền động thủy tĩnh, việc truyền cơ năng giữa các bộ phận máy chủ yếu nhờ

áp năng của dòng chất lỏng làm việc (môi chất công tác); chuyển động của các bộ phận
máy có thể là chuyển động tịnh tiến qua lại, chuyển động xoay qua lại hay chuyển động
quay. Các khâu động chủ yếu của truyền động thủy tĩnh là bơm thủy lực thể tích và động
cơ thủy lực thể tích. Truyền động thủy lực thủy tĩnh có rất nhiều dạng khác nhau được
dùng phổ biến trong các ngành chế tạo máy, máy công trình, … và các hệ thống điều khiển
tự động.
Điều khiển là một tổ hợp các tác động được chọn trên cơ sở thông tin xác định, nhằm
duy trì hay thay đổi sự hoạt động của đối tượng theo chương trình có sẵn hay theo mục tiêu
hoạt động. Theo năng lượng sử dụng ta có điều khiển bằng cơ khí (bằng tay), điều khiển
bằng thuỷ lực, điều khiển bằng khí nén và điều khiển bằng điện. Theo mức độ tự động ta
có điều khiển tại chỗ, điều khiển từ xa và điều khiển tự động.
Theo đó, điều khiển bằng thuỷ lực là một tổ hợp các tác động làm thay đổi chế độ
hoạt động của đối tượng điều khiển thông qua năng lượng trung gian là thuỷ lực.
Truyền động và điều khiển bằng khí nén cũng tương tự như thuỷ lực, chỉ khác ở chỗ
là không khí nén sau khi làm việc được xả ra ngoài. Do đó, sơ đồ nguyên lý và thiết bị có
phần đơn giản hơn.
1.2- TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC THUỶ ĐỘNG
Phương thức truyền động thuỷ lực thuỷ động ra đời từ lâu và được áp dụng rộng rãi vì
có nhiều ưu điểm và ngày càng được cải tiến. Nguyên lý cơ bản của hệ truyền động này
được thể hiện trên hình 1-1.
8
Nguyên lý hoạt động của hệ thống truyền động thuỷ lực thuỷ động rất đơn giản. Khi
động cơ lai bơm ly tâm hoạt động, môi chất công tác (ở dạng lỏng) từ két chứa được bơm
ly tâm hút và truyền cơ năng (ở dạng động năng và áp năng). Môi chất mang năng lượng
này được đưa đến tuabin thuỷ lực và truyền lại cơ năng cho cánh tuabin làm quay trục. Sau
khi ra khỏi tuabin, môi chất công tác được đưa về két chứa chuẩn bị cho vòng tuần hoàn
tiếp theo.
Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thuỷ lực thuỷ động
a) Sơ đồ truyền động thuỷ động;
b) Cấu tạo biến tốc thuỷ lực

Theo đó, cơ năng trên trục động cơ được truyền cho máy công tác nhờ môi chất công
tác làm trung gian.
Truyền động thủy lực thủy động được dùng để cải thiện đặc tính kéo và trong trường
hợp riêng để đảm bảo việc đảo chiều quay của máy công tác.
Thiết bị truyền động thuỷ lực thuỷ động gồm có hai loại là khớp nối thuỷ lực và biến
tốc thuỷ lực.
Khớp nối thuỷ lực chỉ thực hiện chức năng truyền công suất, còn biến tốc thuỷ lực có
thêm chức năng biến đổi tốc độ quay (tương ứng là mômen quay).
1.2.1- Khớp nối thuỷ lực
Khớp nối thủy lực được dùng để tạo ra mối ghép đàn hồi giữa động cơ và máy công
tác, cũng như khả năng tách ly các trục. Việc truyền mômen trong khớp nối thủy lực xảy ra
không có sự thay đổi trị số và dấu của nó. Trong một vài trường hợp, người ta bố trí hai
khớp nối thủy lực để đảo chiều quay của trục máy công tác.
Trong khớp nối thủy lực, người ta dùng môi chất công tác là dầu khoáng. Động năng
của nó được dùng để truyền mômen quay do động cơ sản ra. Sơ đồ nguyên lý của khớp nối
thủy lực được thể hiện trên hình 1-2.
Trong trường hợp khớp nối thủy lực được đổ đầy môi chất công tác, khi bánh bơm
quay, môi chất ở trong các rãnh cánh, dưới tác dụng của lực ly tâm sẽ dịch chuyển dọc theo
rãnh cánh từ tâm bánh bơm đến mép ngoài. Nhờ đó, nó nhận được cơ năng do bánh bơm
truyền cho, làm tăng động năng của nó. Sau đó, môi chất đi đến cánh tuabin thủy lực, tại
đây xảy ra sự biến đổi động năng của nó thành cơ năng của trục bị dẫn.
9
Nếu xả hết môi chất công tác ra khỏi khớp nối thủy lực thì trục bị dẫn dừng lại. Khi
khớp nối làm việc, do có nội ma sát nhớt nên một phần cơ năng biến thành nhiệt năng làm
cho môi chất công tác nóng lên. Do vậy, người ta thường trang bị thêm hệ thống làm mát
cho khớp nối.
Hình 1.2- Sơ đồ nguyên lý khớp nối thủy lực và đặc tính tải - tốc độ của nó
a) Sơ đồ nguyên lý khớp nối thủy lực
1. Trục bị dẫn; 2. Bánh tuabin; 3. Bánh bơm (ly tâm); 4. Vỏ; 5. Trục dẫn
b) Đặc tính tải - tốc độ của khớp nối thủy lực

1. Đặc tính chân vịt; 2. Đặc tính động cơ
Ngoài tổn thất công suất ở dạng nhiệt nêu trên, còn có tổn thất công suất do ma sát
trên gối đỡ nên công suất và tốc độ quay của trục bị dẫn nhỏ hơn trục dẫn:
12
NN 
và
12
nn 
Độ trượt của khớp nối thủy lực s, % được tính theo công thức:
%100.
1
21
n
nn
s


(1-1)
Hiệu suất của khớp nối thủy lực:
1
2
N
N
kntl


(1-2)
Quan hệ giữa độ trượt và hiệu suất của khớp nối như sau:
100
1

s
kntl


(1-3)
Khi khớp nối thủy lực chứa đầy môi chất công tác và làm việc ở chế độ định mức thì
độ trượt của nó là
)%32( s
, do đó
)98,097,0( 
kntl

.
Khi tải càng tăng thì s càng tăng. Khi tăng tốc độ quay trục dẫn thì đặc tính của nó
thoải hơn. Khi tốc độ quay trục bị dẫn
1
n
không đổi, nếu giảm lượng dầu thuỷ lực (môi
chất công tác) trong khớp nối thì đặc tính công tác của nó thoải hơn (Hình 1-2.b), kết quả
cho độ trượt tăng và tốc độ quay trục bị dẫn giảm (

là hệ số nạp đầy môi chất công tác).
Khớp nối thủy lực có ưu điểm là có khă năng chịu quá tải.
1.2.2- Biến tốc thuỷ lực
10
Bộ biến tốc thủy lực đơn giản có sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1.3.
Cấu tạo bộ biến tốc thủy lực gồm có bánh bơm 3 được gắn trên trục chủ động 5, bánh
tuabin 1 được gắn trên trục bị động 6 và thiết bị hướng dòng cố định 4 được gắn chặt với
vỏ.
Thiết bị hướng dòng được bố trí ở trước lối vào của bơm. Đôi khi, người ta bố trí hai

thiết bị hướng dòng, một cái ở trước bơm, còn cái kia ở trước tuabin. Trong trường hợp có
hai thiết bị hướng dòng thì biến tốc thủy lực có khả năng đảo chiều trục bị dẫn. Sự hiện
diện của thiết bị hướng dòng làm thay đổi căn bản quá trình truyền mômen quay do biến
tốc thủy lực tạo ra so với khớp nối thủy lực.
Hình 1.3- Bộ biến tốc thủy lực
(Biến tốc thủy lực hình a và
hình b có chiều quay trục bị
động ngược nhau)
1. Trục chủ động; 2. Bánh
bơm; 3. Thiết bị hướng dòng;
4. Tuabin; 5. Trục bị động; 6.
Vòng tuần hoàn của môi chất
công tác
Khi trục chủ động quay, bánh bơm cấp môi chất công tác với động năng lớn cho
tuabin. Tại đây, động năng của môi chất công tác lại biến thành cơ năng làm quay trục bị
dẫn. Nhờ kết cấu của tuabin và thiết bị hướng dòng hợp lý mà kết quả thu được
12
MM 
.
Thực tế cho thấy rằng, nếu có kết cấu thiết bị hướng dòng hợp lý thì có thể thu được
12
3MM 
.
Tùy thuộc vào điều kiện phụ tải, tỷ số truyền của biến tốc thủy lực
tl
i
có thể thay đổi
trong phạm vi (1

0) trong khi tốc độ quay và mômen quay thực tế của động cơ không thay

đổi.
Hiệu suất cơ khí của biến tốc thủy lực:
1
2
1
2
M
M
i
N
N
tlm


(1-4)
Hiệu suất toàn phần của biến tốc thủy lực:
mvbttl


(1-5)
trong đó:
v

- hiệu suất tính đến các tổn thất thể tích trong biến tốc thủy lực.
Trong một số trường hợp, người ta ít sử dụng các bộ biến tốc thủy lực độc lập vì hiệu
suất tương đối nhỏ
)]91,084,0([ 
tlbt

và khả năng giảm tốc thấp ở phạm vi hiệu suất cao

)]00,4:133,3:1([ 
tl
i
. Ở mức tỷ số truyền không lớn, hiệu suất truyền động ít giảm.
Thông thường, biến tốc thủy lực là bộ phận cấu thành của truyền động thủy lực được
kết hợp với khớp nối thuỷ lực.
người ta thường sử dụng truyền động thủy động cùng với bánh răng nhằm mục đích
giảm kích thước của bộ truyền. Tỷ số truyền chung của kiểu truyền động phối hợp này là:
11
tlhsc
ii
n
n
i 
1
2
(1-6)
trong đó:
21
, nn
– tốc độ quay của trục động cơ và trục chân vịt;
hs
i
– tỷ số truyền của hộp bánh răng.
Truyền động thủy lực thủy động với biến tốc thủy lực có khả năng:
- Cải thiện đặc tính kéo;
- Giảm chấn, không ồn, triệt tiêu dao động xoắn và bảo vệ quá tải cho động cơ;
- Có chất lượng cơ động tốt;
- Thuận tiện cho việc điều khiển từ xa.
Tuy nhiên, nó có nhược điểm là hiệu suất thấp và kích thước tương đối lớn.

Chính vì vậy, truyền động thủy lực thủy động với biến tốc thủy lực có phạm vi sử
dụng hẹp, được sử dụng trong các hệ truyền động ôtô và tàu thuỷ.
1.3- TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC THỂ TÍCH
Truyền động thủy lực thể tích bắt đầu được sử dụng từ đầu thế kỷ 20. Lúc đầu nó
được dùng chủ yếu để thực hiện chuyển động thẳng với công suất nhỏ, sau đó là chuyển
động quay.
Truyền động thủy lực thể tích được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các ngành kỹ
thuật: hàng không, cơ khí nông nghiệp, giao thông vận tải, khai khoáng, …
Trong ngành chế tạo máy, truyền động thủy tĩnh được sử dụng rộng rãi nhất, dùng để
thực hiện các chuyển động chạy dao, chuyển động chính cũng như điều khiển trong các
máy cắt kim loại như máy tổ hợp, máy điều khiển theo chương trình, dây chuyền tự động.
Truyền động thủy lực thể tích có các ưu điểm sau:
- Công suất và lực truyền lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, độ tin cậy làm việc
cao, khối lượng công việc chăm sóc và bảo dưỡng ít;
- Điều chỉnh vận tốc làm việc dễ dàng và vô cấp, dễ thực hiện tự động hóa theo điều
kiện làm việc hay chương trình;
- Kết cấu nhỏ gọn, khoảng cách truyền tương đối lớn, có thể cùng lúc truyền năng
lượng cho nhiều máy công tác;
- Có thể giảm kích thước và khối lượng thiết bị bằng cách chọn áp suất làm việc cao;
- Nhờ bơm và động cơ thủy lực có quán tính nhỏ, nhờ tính nén được của dầu thủy lực
nên có thể cho hệ thống làm việc với vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong
trường hợp truyền động cơ khí hay điện;
- Việc biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến hay xoay
qua lại của bộ phận bị dẫn cũng như việc thay đổi vận tốc và chiều chuyển động dễ dàng;
- Có khả năng tránh quá tải nhờ sử dụng van an toàn;
- Dễ theo dõi (dùng áp kế), kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch;
- Dễ dàng trong việc tự động hóa, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các
phần tử tiêu chuẩn hóa.
Tuy nhiên, truyền động thủy lực thể tích cũng có các nhược điểm sau:
+ Tổn thất trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử làm giảm hiệu suất và

phạm vi sử dụng;
+ Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng
và tính đàn hồi của đường ống;
12
+ Vận tốc làm việc thay đổi theo sự thay đổi độ nhớt của dầu thủy lực trong giai đoạn
chế độ nhiệt chưa ổn định;
+ Khó thực hiện sự đồng bộ hóa một cách chính xác các chuyển động.
Sự so sánh các dạng truyền động được giới thiệu khái quát ở bảng 1.1.
Bảng 1.1- So sánh các dạng truyền động
Tiêu chuẩn
Thuỷ lực
Khí nén
Điện
Cơ khí
Mang năng
lượng
Dầu thuỷ lực
Khí nén
Electron
Trục, bánh răng,
xích, …
Truyền năng
lượng
Ống dẫn, đầu nối
Ống dẫn, đầu
nối
Dây điện
Trục, bánh răng
Tạo ra năng
lượng hoặc

biến đổi sang
dạng năng
lượng khác
Bơm thuỷ lực,
động cơ thuỷ lực
(xilanh lực)
Máy nén khí,
động cơ khí
nén (xilanh
lực)
Máy phát điện, động
cơ điện, pin, ắcquy
Trục, bánh răng,
đai, xích truyền
Các đại lượng
cơ bản
Áp suất p (400
bar), lưu lượng q
(m
3
/h)
Áp suất p
(khoảng 6
bar), lưu lượng
q (m
3
/h)
Hiệu điện thế U,
cường độ dòng điện I
Lực, mômen, tốc

độ, tốc độ quay
Công suất
(khả năng làm
việc)
Rất tốt,
áp suất đến khoảng
400 bar, kết cấu
nhỏ gọn, giá cả
phù hợp
Tốt,
bị giới hạn bởi
áp suất làm
việc khoảng 6
bar
Tốt, khối lượng động
cơ điện có cùng công
suất lớn hơn 10 lần so
với động cơ thuỷ lực.
Sự đóng mở các tiếp
điểm thuận lợi hơn so
với van đảo chiều
Tốt, bởi vì không
có sự biến đổi
năng lượng . Bị
giới hạn bởi
phạm vi điều
khiển và điều
chỉnh
Độ chính xác
của vị trí (hành

trình)
Rất tốt, bởi vì dầu
không có độ đàn
hồi
Ít tốt hơn, bởi
vì khí nén có
độ đàn hồi
Tốt, độ trễ nhỏ
Rất tốt vì có khả
năng ăn khớp
truyền động tốt
Hiệu suất
Vừa phải. Có tổn
thất thể tích, ma sát
ở truyền động và
sự biến đổi năng
lượng, tổn thất áp
suất ở van
Tính chất khí
nén có ảnh
hưởng trong
quá trình
truyền tải
Vừa phải
Tổn thất lớn
Khả năng điều
khiển và điều
chỉnh
Rất tốt đối với các
loại van và bơm

điều chỉnh được
lưu lượng, cơ cấu
trợ động. Kết hợp
tốt với điện-điện tử
Điều khiển
linh hoạt. Khó
điều chỉnh do
ảnh hưởng bởi
độ đàn hồi của
khí nén
Công suất tiêu thụ
nhỏ, rất tốt
Ít linh hoạt, khó
điều chỉnh
Khả năng tạo
ra chuyển
động thẳng
Đơn giản nhờ việc
sử dụng xilanh
truyền lực
Đơn giản
Đơn giản thông qua
động cơ
Đơn giản thông
qua trục
Khả năng ứng
dụng
Chuyển động thẳng
ở các máy sản xuất
Lắp ráp. Dây

chuyền tự
động
Truyền động quay,
tịnh tiến
Truyền động
khoảng cách
ngắn
13
1.3.1- Nguyên lý truyền động thủy lực thể tích
Truyền động thủy lực thể tích diễn ra theo nguyên lý cơ năng được biến thành năng
lượng (ở dạng áp năng) của dòng dầu thủy lực nhờ bơm thủy lực, sau đó áp năng của dòng
dầu thủy lực được biến thành cơ năng trong động cơ thủy lực.
Bất kỳ một hệ thống truyền động thủy lực thể tích nào cũng bao gồm các bộ phận: bộ
phận biến đổi năng lượng (bơm thủy lực và động cơ thủy lực), các cơ cấu điều khiển và
điều chỉnh (các loại van…), thiết bị phụ (đường ống, lọc và bình tích năng…).
Truyền động thủy lực thể tích chủ yếu dùng để thực hiện cả chuyển động thẳng và
chuyển động quay. Ngoài ra, hệ thống thủy lực thể tích cũng được dùng để điều khiển các
chu kỳ làm việc của máy với đầy đủ những thiết bị và cơ cấu điều khiển, điều chỉnh và
kiểm tra.
1- Nguyên lý hệ thống truyền động thủy lực thể tích thực hiện chuyển động thẳng
Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thủy lực thể tích thực hiện chuyển động thẳng
được thể hiện trên hình 1.4.
Hình 1.4- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thủy lực thể tích
thực hiện chuyển động thẳng
a) Sử dụng bơm pittông: 1. Bơm pittông; 2, 3. Van một chiều;
4. Thùng dầu; 5. Cơ cấu phân phối; 6. Xilanh lực.
b) Sử dụng bơm thủy lực thể tích rôto: 1. Bơm rôto; 2. Van an toàn;
3. Cơ cấu phân phối; 4. Xilanh lực
Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động thẳng cho bàn máy của
máy mài được thể hiện trên hình 1.5.

Nó gồm bơm thủy lực, xilanh lực và một số thiết bị khác. Bơm thủy lực 1, do động cơ
điện lai, hút dầu từ bể 7 qua lọc 2, nén đến áp suất p và đẩy vào ống dẫn 3. Dầu có áp suất
p được đưa qua van tiết lưu 4 với một lượng cần thiết để thực hiện chuyển động của bàn
máy. Số dầu thừa theo ống dẫn 5 qua van tràn 6 và trở về bể dầu 7. Dầu sau khi qua van
tiết lưu 4 chảy vào van đảo chiều 8 và buồng 9 của xilanh lực, đẩy pittông 10 mang bàn
máy 11 chuyển động về bên trái. Dầu từ buồng trái của xilanh lực theo ống dẫn 12, qua van
đảo chiều 8, ống dẫn 13 trở về bể dầu.
14
Van tràn 6 còn làm chức năng của van an toàn để phòng ngừa quá tải cho hệ thống.
Van tiết lưu 4 dùng để điều chỉnh lượng dầu cần thiết cung cấp cho xilanh lực, nghĩa là
điều chỉnh vận tốc bàn máy.
Những hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động thẳng như trên thường được thiết kế
thành từng cụm riêng biệt và có thể lắp vào các máy với những chức năng khác nhau.
Truyền động thuỷ lực thực hiện chuyển động thẳng được dùng nhiều trên các máy
công cụ, trên ôtô – máy kéo để thực hiện các thao tác nâng hạ hoặc trợ lực lái.
Hình 1.5- Sơ đồ nguyên lý hệ thống
thủy lực thực hiện chuyển động bàn
máy của máy mài
1. Bơm thủy lực; 2.Bộ lọc; 3. Ống đẩy;
4. Van tiết lưu; 5. Ống dầu thừa; 6. Van
tràn; 7. Bể dầu; 8. Van đảo chiều (điều
khiển); 9. Buồng làm việc của xilanh lực;
10. Pittông của xilanh lực; 11. Bàn máy
di động; 12- Ống dẫn; 13. Ống xả; 14.
Cữ điều khiển đảo chiều tự động; 15.
Cần gạt điều khiển; 16. Pittông van
trượt; 17. Áp kế
Nếu gọi: F – diện tích mặt làm việc của pittông xilanh lực;
p – áp suất dầu thủy lực;
v – vận tốc bàn máy.

ta có lực tác dụng lên pittông:
FpP .
Và công suất trên pittông là:
vPN .
(1-7)
Lưu lượng dầu thủy lực cấp vào xilanh lực được xác định theo công thức:
vFQ .
Nên:
F
Q
v 
Do đó:
Qp
F
QP
N .
.

(1-8)
Công suất cần thiết của động cơ điện lai bơm thủy lực:
trdb
N

.
N
dc

(1-9)
trong đó:


b
- hiệu suất của bơm thuỷ lực
)80,060,0( 
b

;

trd
- hiệu suất của bộ truyền.
15
2- Nguyên lý hệ thống truyền động thủy lực thể tích thực hiện chuyển động quay
Hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay là một tổ hợp gồm một bơm thủy lực
và một động cơ có kết cấu gần giống nhau cùng các bộ phận khác. Bơm thủy lực và động
cơ thủy lực có thể là loại bánh răng, cánh gạt hoặc pittông.
Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thủy lực thể tích thực hiện chuyển động quay
được thể hiện trên hình 1.6.
Một hệ thống truyền động thuỷ lực thực hiện chuyển động quay tổng quát được thể
hiện trên hình 1.7.
Hình 1.6- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động
thủy lực thể tích thực hiện chuyển động quay
1. Bơm thủy lực; 2. Van tiết lưu; 3. Cơ cấu phân
phối; 4. Động cơ thủy lực kiểu rôto; 5. Thùng dầu
Hình 1.7- Hệ thống thủy lực thực
hiện chuyển động quay
1. Bơm thủy lực; 2. Động cơ thủy lực;
3. Ống dẫn; 4. Rôto động cơ thủy lực;
5. Cơ cấu thay đổi vận tốc; 6. Van an
toàn; 7. Van xả dầu để dừng động cơ
thủy lực; 8. Van dùng để hãm động cơ
thủy lực; 9. Van cản

Hệ thống này gồm có bơm thủy lực 1 và động cơ thủy lực 2 có cấu tạo gần giống
nhau và cùng được lắp trên một thân máy. Bơm thủy lực 1, do động cơ điện lai, hút dầu từ
bể chứa và cấp vào ống dẫn 3 với áp suất p. Dầu với áp suất p được đưa vào động cơ thủy
lực 2 và tác động vào cánh gạt của rôto 4 làm cho rôto quay, truyền chuyển động và cơ
năng cho cơ cấu chấp hành. Như vậy, chuyển động quay của bơm thủy lực được chuyển
thành chuyển động quay của động cơ thủy lực. Vận tốc của động cơ thủy lực được điều
chỉnh nhờ sự thay đổi lưu lượng dầu cấp vào động cơ thủy lực bằng cách dùng cơ cấu thay
đổi vận tốc 5 để làm thay đổi độ lệch tâm e của bơm thủy lực hoặc của động cơ thủy lực.
Van an toàn 6 dùng để giới hạn mômen xoắn của động cơ thủy lực, diễn biến như sau:
khi động cơ thủy lực bị quá tải, áp suất dầu trong ống dẫn 3 vượt quá giới hạn cho phép thì
van an toàn 6 tự động mở để xả bớt dầu về bể chứa. Van 7 dùng để dừng nhanh động cơ
thủy lực mà không cần phải dừng bơm thủy lực. Van 9 dùng để phanh động cơ thủy lực.
Van 9 cùng với van cản 8 làm nhiệm vụ chống va đập khi phanh hoặc khi đảo chiều động
cơ thủy lực.
16
Hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay thông thường phức tạp và giá thành
cao hơn hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động thẳng, nhưng nó có hiệu suất truyền động
khá cao và nhất là nó có thể đảm bảo việc điều chỉnh vô cấp tốc độ quay của cơ cấu chấp
hành. Vì thế, loại truyền động này ngày càng được dùng nhiều để thực hiện chuyển động
chính quay tròn trên hàng loạt máy cắt kim loại như máy tiện ren vít, máy mài tròn trong,
…, hoặc để thực hiện chuyển động quay của bàn máy như ở máy mài mặt phẳng, máy phay
điều khiển theo chương trình.
Nếu bỏ qua tổn thất ma sát thì công suất của động cơ thủy lực cũng có dạng giống
như công suất của bơm thủy lực:
QpN .
.
Nếu tính theo tốc độ quay n và mômen trên trục thì công suất có dạng:
d
nMMN


2.
(1-10)
Do đó:
d
n
Qp
M
.2
.


(1-11)
Nếu gọi q
đ
là lưu lượng riêng, tức là lượng dầu do động cơ thủy lực nhận để quay một
vòng thì khi nó quay n
d
vòng ta có:
dd
nqQ .
(1-12)
Do đó:
d
qpM .
2
1


(1-13)
Gọi q

b
và n
b
là lưu lượng riêng và tốc độ quay của bơm thủy lực thì lưu lượng của
bơm Q được tính theo biểu thức:
bb
nqQ .
Nếu không tính đến tổn thất thể tích thì động cơ thủy lực tiếp nhận toàn bộ lượng dầu
do bơm thủy lực cấp đến, do đó:
ddbb
nqnq 
Nên
b
d
b
d
n
q
q
n 
(1-14)
Từ đó ta có thể điều chỉnh tốc độ quay của động cơ thủy lực n
d
bằng ba phương pháp:
+ Thay đổi lưu lượng riêng q
d
của động cơ thủy lực bằng cách thay đổi độ lệch tâm e.
Trong trường hợp này mômen của động cơ sẽ thay đổi và công suất của động cơ thủy lực
sẽ không đổi với sự thay đổi tốc độ quay n
d

.
+ Thay đổi lưu lượng riêng q
b
của bơm, nghĩa là lượng dầu đưa vào động cơ thủy lực
cũng thay đổi theo. Trường hợp này công suất của động cơ sẽ thay đổi và mômen sẽ không
đổi với sự thay đổi của tốc độ quay.
+ Thay đổi lưu lượng riêng q
d
và q
b
, tức là thay đổi buồng nén của cả bơm và động cơ
thủy lực. Trong trường hợp này với sự thay đổi tốc độ quay của động cơ thủy lực, công
suất và mômen cũng sẽ thay đổi.
1.3.2- Các mạch của hệ truyền động thủy lực thể tích
Theo hình thức cấp dầu thủy lực vào bơm còn có hệ thống thủy lực mạch hở, hệ thống
thủy lực mạch kín và hệ vi sai.
Trong hệ thống thủy lực mạch hở (xem các hình 1.4, 1.5), đường hút của bơm nối trực
tiếp với két dầu, còn trên đường đẩy của bơm áp suất thường bằng không khi van phân
phối ở vị trí trung gian (dùng van tràn hay xả dầu).
17
Còn trong hệ thống thủy lực mạch kín (xem hình 1.8), đường hút của bơm được nối
trực tiếp với đường xả từ động cơ thủy lực, đường dầu từ bơm đi ra có áp suất thường
xuyên lớn. Dầu thủy lực từ két dầu được cấp bổ sung cho hệ thống nhờ bơm phụ.
Hệ thống thủy lực vi sai chính là hệ thống thủy lực mạch kín với xilanh lực vi sai
(xem hình 1.9). Hệ thống có két dầu phụ để điều hòa lưu lượng cho bơm và hệ thống làm
việc bình thường.
1.3.3- Hệ thống điều khiển bằng thủy lực (thể tích)
Về cơ bản, hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực cũng giống như hệ thống truyền động
bằng thuỷ lực, chỉ khác một điều là công suất nhỏ hơn nhiều. Hệ thống điều khiển bằng
thuỷ lực gồm có các phần tử chính: bộ phận tạo năng lượng (bơm thuỷ lực), phần tử nhận

tín hiệu (các loại nút ấn), phần tử xử lý (van áp suất, van điều khiển từ xa), phần tử điều
khiển (van đảo chiều), bộ phận chấp hành [động cơ thuỷ lực (xilanh lực)].
Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động thuỷ lực
thể tích mạch kín
Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý hệ thống
truyền động thuỷ lực thể tích mạch vi sai
1.4- CÁC BỘ PHẬN HỢP THÀNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU
KHIẺN BẰNG THỦY LỰC THỂ TÍCH
1.4.1- Các bộ phận biến đổi năng lượng
Bộ phận biến đổi năng lượng trong hệ thống thủy lực dùng để biến đổi năng lượng từ
dạng này sang dạng khác nhằm thực hiện một công có ích. Theo dạng năng lượng cần biến
đổi, bộ phận biến đổi năng lượng gồm có bơm thủy lực và động cơ thủy lực (kể cả xilanh
lực).
Về mặt kết cấu, bơm thủy lực và động cơ thủy lực giống nhau (khác nhau về nguyên
lý làm việc) và có thể thay thế chức năng cho nhau. Sự khác biệt chủ yếu là ở kích thước
khi chúng có cùng một yêu cầu như nhau.
1- Bơm thủy lực
Bơm thủy lực thể tích là một bộ phận biến đổi năng lượng, dùng để biến đổi cơ năng
trên trục bơm thành năng lượng của dòng dầu thủy lực (chủ yếu là áp năng). Đó là loại
bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc:
khi thể tích của buồng làm việc tăng thì bơm thực hiện quá trình hút; và khi thể tích giảm
thì bơm đẩy dầu ra, thực hiện quá trình đẩy. Nếu trên đường ống đẩy có sự cản trở chất
18
lỏng lưu động (do van đóng chẳng hạn) thì sẽ tạo nên một áp suất nhất định tùy thuộc vào
giá trị sức cản và kết cấu của bơm.
Tùy thuộc vào lượng dầu do bơm đẩy ra trong một chu kỳ làm việc, ta có thể phân ra
làm 2 loại bơm thể tích:
- Bơm có lưu lượng không đổi, gọi tắt là bơm cố định;
- Bơm có lưu lượng có thể điều chỉnh, gọi tắt là bơm điều chỉnh.
Bơm cố định được dùng rất rộng rãi, một mặt vì kết cấu của nó đơn giản hơn bơm

điều chỉnh, mặt khác nó cũng có thể đảm bảo được mômen và công suất truyền động cố
định.
Tuy nhiên trong những năm gần đây, bơm điều chỉnh được sử dụng ngày càng nhiều,
vì với sự phát triển của công nghệ chế tạo máy, việc đảm bảo các yêu cầu về chế tạo bơm
điều chỉnh không thành vấn đề lớn. Mặt khác, công suất truyền động của máy tăng, đòi hỏi
những cơ cấu ít bị tổn thất năng lượng nhất. Bơm điều chỉnh có lượng dầu thừa nên hạn
chế được nguồn sản nhiệt.
Bơm thủy lực thể tích có hai kiểu: pittông và rôto. Bơm thủy lực kiểu rôto gồm các
loại: bơm bánh răng, bơm trục vít, bơm cánh gạt. Bơm pittông gồm các loại: bơm pittông
dãy và bơm pittông-rôto.
Phạm vi hoạt động của bơm thủy lực thể tích được giới thiệu ở bảng 1.2.
Bảng 1.2- Phạm vi ứng dụng thông thường của bơm thủy lực thể tích
Nhóm
bơm
Loại bơm
Phạm vi áp
suất làm việc
(kG/cm
2
)
Áp suất
thông dụng
(kG/cm
2
)
Lưu
lượng Q
hoặc q
Tốc độ quay
(v/ph)

Hiệu suất
Nhóm
bơm
rôto
Bơm bánh
răng
20

200
100

170
Đến 500
l/ph
1200

5000
0

= 0,8

0,9

= 0,6

0,85
Bơm cánh
gạt
20


210
100

180
Đến 600
l/ph
1.200

3.000
(500

200)*
0

= 0,8

0,9

= 0,5

0,85
Nhóm
bơm
pittông
Bơm
pittông đơn
5

1.000
200


350
Đến 300
cm
3
/vg
1.200

3.200
(70

1.200)*

0
< 0,95
 < 0,9
Bơm
pittông dãy
phẳng
200

700
200

500
Đến 300
cm
3
/vg
1.200


3.200

< 0,9
Bơm
pittông
hướng kính
200

600
350

450
Đến 24
l/vg
1.200

2.800
(200

1.200)*

< 0,95
Bơm
pittông
hướng trục
200

800
350


600
Đến 500
cm
3
/vg
1.200

3.000

0
 0,98
  0,95
*. Sử dụng khi yêu cầu lưu lượng lớn
2- Động cơ thủy lực
Động cơ thủy lực thể tích là bộ phận biến đổi năng lượng dùng để biến áp năng của
dầu thủy lực thành cơ năng trên trục của nó.
Về nguyên tắc, bơm và động cơ thủy lực có kết cấu giống nhau và có thể làm việc
thay thế cho nhau. Thông thường, động cơ thủy lực được lắp cùng với bơm thủy lực tạo
19
thành một khối truyền động, cơ cấu ấy được gọi là hộp truyền động thủy lực. Sự biến đổi
năng lượng ở động cơ thủy lực diễn ra theo các quá trình sau:
- Dầu có áp suất đủ lớn được đưa vào buồng làm việc của động cơ thủy lực. Dưới tác
dụng của áp suất dầu, một chi tiết tạo nên buồng làm việc của động cơ di động, chuyển
động ấy được truyền lên trục của động cơ.
- Do trục động cơ quay, buồng làm việc của động cơ dịch chuyển từ cửa nén đến cửa
xả.
- Thể tích các buồng làm việc ở cửa xả giảm dần và đẩy dầu ra ngoài. Tốc độ quay
của trục động cơ phụ thuộc vào độ lớn của các buồng làm việc cũng như lưu lượng dầu cấp
vào động cơ.

So với động cơ điện, động cơ thủy lực có kích thước, khối lượng và mômen quán tính
nhỏ hơn rất nhiều. Ngoài ra, nó còn có khả năng thực hiện truyền động vô cấp một cách dễ
dàng. Do đó, động cơ thủy lực ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền động, trong
việc điều khiển tự động và điều khiển từ xa.
Động cơ thủy lực thể tích có thể là động cơ bánh răng, động cơ cánh gạt, động cơ
pittông, …
Các loại động cơ thủy lực bánh răng, động cơ trục vít, động cơ cánh gạt và động cơ
thủy lực pittông–rôto hướng trục được sử dụng có hiệu quả ở vùng tốc độ quay cao và
mômen không lớn lắm. Trong khi đó, các động cơ thủy lực pittông hướng kính cam trục và
pittông–rôto hướng kính được sử dụng có hiệu quả ở phạm vi tốc độ thấp và mômen lớn.
Xilanh lực chính là động cơ thủy lực pittông đơn dùng để thực hiện chuyển động
thẳng hay chuyển động xoay (không toàn vòng).
Việc phân loại động cơ thủy lực thể tích theo tốc độ quay và mômen quay được thể
hiện ở bảng 1.3.
Bảng 1.3- Phân loại động cơ thủy lực thể tích theo tốc độ quay và mômen
Nhóm động cơ
Loại động cơ
Tốc độ
quay
làm
việc
(v/ph)
Tốc độ
quay tối
thiểu
(v/ph)
Mômen
khởi động
(so với
mômen

danh
nghĩa)
Mômen
làm việc
Nhóm động cơ tốc
độ nhanh (mômen
nhỏ)
- Động cơ bánh răng
- Động cơ cánh gạt

4000
> 500
> 100
(70

80)
%

60%
Nhỏ
Nhóm động cơ có
tốc độ vừa (mômen
trung bình)
- Động cơ pittông hướng trục
- Động cơ pittông dãy phẳng
 100
(10

50)
%

Trung
bình
Nhóm động cơ tốc
độ chậm (mômen
lớn)
- Động cơ pittông hướng
kính, cam trục
- Động cơ pittông hướng
kính, cam ngoài
 2.000
 100
- Lớn
- Cực
lớn (siêu
mômen)
20
1.4.2- Các cơ cấu và phần tử khác của hệ thống truyền động thủy lực
Các cơ cấu và phần tử khác được sử dụng trong hệ thống thuỷ lực nhằm đảm bảo sự
hoạt động bình thường của hệ thống theo yêu cầu đặt ra.
1- Cơ cấu chỉnh áp được dùng để điều chỉnh áp suất (nghĩa là duy trì hoặc thay đổi áp
suất trong hệ thống thuỷ lực), gồm van an toàn, van giảm áp và cơ cấu tăng áp.
2- Cơ cấu chỉnh lượng dùng để điều chỉnh lượng chất lỏng chảy qua nó trong một đơn
vị thời gian, và như thế điều chỉnh được tốc độ của động cơ thuỷ lực trong những trường
hợp bơm thuỷ lực không điều chỉnh được lưu lượng. Chúng gồm có van tiết lưu (điều
chỉnh được) và cửa tiết lưu (không điều chỉnh được). Van tiết lưu được sử dụng phổ biến
hơn cả.
3- Cơ cấu chỉnh hướng là loại cơ cấu dùng để đóng mở, nối liền hoặc ngăn cách các
đường dẫn dầu thủy lực trong hệ thống thủy lực. Cơ cấu chỉnh hướng gồm các thiết bị như
van một chiều, van mở nối tiếp, cơ cấu phân phối, bộ đảo chiều, …
4- Thiết bị phụ

Ngoài các cơ cấu biến đổi năng lượng, cơ cấu điều khiển và điều chỉnh, trong hệ
thống thủy lực còn có các thiết bị phụ khác được dùng để đảm bảo sự làm việc bình thường
của hệ thống như thùng dầu, bộ lọc, bình làm mát, bình tích năng (giảm xung áp suất và
lưu lượng của nguồn dầu thủy lực), đường ống, …
1.5- DẦU THỦY LỰC
1- Yêu cầu đối với dầu thủy lực
Trong hệ thống thủy lực, dầu thủy lực được dùng làm phương tiện truyền tải và biến
đổi năng lượng.
Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng dầu là độ nhớt, khả năng chịu nhiệt, độ
ổn định tính chất vật lý và hóa học, tính chống gỉ, tính ăn mòn các chi tiết bằng cao su, khả
năng bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông đặc. Ngoài ra, cũng cần chú ý
các đặc tính như khối lượng riêng và các tạp chất cơ học.
Hệ thống thủy lực làm việc trong phạm vi vận tốc, áp suất và nhiệt độ khá lớn. Do đó,
dầu thủy lực phải thỏa mãn một loạt các yêu cầu mới có thể đảm bảo cho các cơ cấu làm
việc được bình thường. Các yêu cầu đó là:
+ Phải có đặc tính bôi trơn tốt để đảm bảo chức năng bôi trơn các chi tiết máy;
+ Phải có chỉ số độ nhớt cao, nghĩa là độ nhớt của nó thay đổi theo nhiệt độ ít nhất;
+ Phải có tính trung hòa đối với tất cả các vật liệu mà nó tiếp xúc như không gây ăn
mòn kim loại, không gây hư hỏng các chất sơn, nhựa, chất dẻo, …;
+ Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện làm kín và bôi trơn các cặp chi tiết với mức
độ rò rỉ cũng như tổn thất ma sát ít nhất;
+ Có áp suất hơi bão hòa thấp và nhiệt độ sôi cao;
+ Dầu thủy lực cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hòa tan nước và không
khí, việc tách khí hòa tan dễ dàng, có môđun đàn hồi và tỷ nhiệt lớn; dẫn nhiệt tốt, hệ số
giãn nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ;
+ Giữ được tính chất cơ học và hóa học trong một thời gian dài ở điều kiện bảo quản
bình thường;
+ Có thời hạn phục vụ lâu, chịu được nhiệt độ cao, có khả năng chống hóa nước và
oxy hóa;
21

+ Bản thân dầu thủy lực, hơi của nó và các chất phân hủy từ dầu không gây độc hại
lớn;
+ Không hút ẩm và khả năng hòa tan với nước không lớn, giữ được tính chất ở dạng
êmunxi, dễ dàng tách nước ra một khi bị lẫn. Tính chất làm việc không bị ảnh hưởng nếu
lượng nước dưới 1%;
+ Có tính cách điện tốt, kể cả khi bị bẩn;
+ Không có mùi và trong suốt (trừ trường hợp đặc biệt);
+ Không dễ cháy;
+ Dễ sản xuất và giá thành thấp.
Dầu khoáng thỏa mãn đầy đủ nhất các yêu cầu nêu trên. Hiện tại có nhiều loại dầu
khoáng khác nhau dùng cho hệ thống thủy lực, được chế tạo với những chất phụ gia khác
nhau nhằm cải thiện các đặc tính như độ nhớt, độ bền hóa học và cơ học.
2- Các đặc tính của dầu
a)- Độ nhớt
Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của chất lỏng. Độ nhớt xác định
lực ma sát bên trong của chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng trượt hoặc biến
dạng cắt của chất lỏng. Nó là một đặc tính quan trọng của dầu ảnh hưởng đến tổn thất ma
sát và độ rò dầu trong hệ thống thủy lực.
Độ nhớt được tạo nên do tác động liên kết giữa các phần tử và là một đại lượng ổn
định, đo được cho mỗi loại chất lỏng. Có thể phân biệt 2 loại độ nhớt :
+ Độ nhớt động lực – là ma sát tính bằng N xuất hiện trên một đơn vị diện tích của hai
lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng cách nhau một đơn vị độ dài và hiệu vận
tốc bằng một đơn vị. Ký hiệu

, đơn vị tính là poazơ, (1 p =
10
1
Ns/m
2
= 0,0102 kGs/m

2
).
+ Độ nhớt động là tỷ số giữa độ nhớt động lực

với khối lượng riêng

của chất
lỏng




Đơn vị đo độ nhớt động là stốc (st) hoặc centi stốc (cst)
1 st = 1 cm
2
/s = 10
-4
m
2
/s (1 cst = 10
-2
st = 1 mm
2
/s)
Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp xác định chính xác độ nhớt tuyệt đối của chất
lỏng, vì vậy người ta thường dùng các đơn vị qui ước tương đối.
Độ nhớt tương đối là độ nhớt được thể hiện bằng các đơn vị qui ước và được xác định
nhờ các dụng cụ đo đặc biệt gọi là nhớt kế.
Độ nhớt theo độ Englơ (
0

E) là một tỷ số qui ước dùng để so sánh thời gian chảy của
200 cm
3
chất lỏng được thử qua lỗ nhớt kế (

2,8) ở nhiệt độ cho biết với thời gian chảy
của 200 cm
3
nước cất qua lỗ này ở nhiệt độ 20
0
C. Công thức tính:
0
E =
n
t
t
Độ nhớt Englơ của dầu thủy lực thường được đo khi dầu ở nhiệt độ 20, 50, 100
0
C và
có ký hiệu tương ứng là
0
E
20
,
0
E
50
,
0
E

100
.
Có thể xác định độ nhớt động theo độ nhớt Englơ nhờ công thức:
8
0
0
10.
31,6
31,7








E
E

m
2
/s = 7,31
0
E -
E
0
31,6
cst.
22

+ Chỉ số độ nhớt là hệ số đặc trưng sự thay đổi độ nhớt của chất lỏng khi nhiệt độ
thay đổi. Thông thường, nó được biểu thị bằng tỷ số độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ 50
0
C
và 100
0
C. Công thức tính:
100
50



i
Để có được loại dầu thủy lực có độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ, người ta phải thêm
vào dầu khoáng một số chất phụ gia để nâng cao độ bền của dầu, tức là nâng cao khả năng
duy trì độ nhớt ban đầu khi nhiệt độ thay đổi.
Khi tăng áp suất, độ nhớt của dầu thủy lực cũng tăng. Sự thay đổi độ nhớt theo áp suất
của dầu có độ nhớt thấp thường ít hơn so với dầu có độ nhớt cao.
Người ta cũng nhận thấy rằng so với dầu khoáng thì dầu tổng hợp có độ nhớt ổn định
hơn và ít phụ thuộc vào áp suất cũng như nhiệt độ.
b)- Nhiệt dung và tính dẫn nhiệt của dầu thủy lực
Nhiệt dung của chất lỏng là lượng nhiệt cần thiết để nâng một đơn vị khối lượng chất
lỏng lên 1
0
C. Nhiệt dung của chất lỏng xác định cường độ tăng nhiệt độ trong hệ.
Nhiệt dung của dầu khoáng có thể tính gần đúng theo biểu thức :
4187
)100(61,12020 

t

C
t
kcal/kg
0
C, với t – nhiệt độ của dầu,
0
C
Tính dẫn nhiệt của chất lỏng là khả năng tiếp nhận và truyền nhiệt của nó từ nguồn
nóng sang nguồn lạnh, đặc trưng bằng độ dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng là lượng
nhiệt đi qua diện tích 1 cm
2
của lớp chất lỏng dày 1 cm trong thời gian 1 giây.
Dầu khoáng thuộc loại chất lỏng dẫn nhiệt kém. Hệ số dẫn nhiệt của nó nhỏ hơn 5 lần
so với nước.
Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng tăng theo sự tăng của áp suất.
c)- Sự hòa tan khí trong dầu thủy lực
Các loại dầu thủy lực đều có khả năng hòa tan khí. Số lượng khí hòa tan trước khi bão
hòa tỷ lệ với áp suất trên bề mặt tiếp xúc và phụ thuộc vào loại dầu và khí.
Khi áp suất làm việc ổn định, sự hòa tan khí trong dầu thủy lực ảnh hưởng không lớn
đến sự làm việc của hệ thống vì trong trường hợp này quá trình hòa tan khí và thoát khí
chậm và đều theo thời gian. Nhưng khi áp suất làm việc không ổn định hoặc trong một số
trường hợp đặc biệt, sự hòa tan khí trong dầu thủy lực ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc
của hệ thống. Khi áp suất giảm thì khí tách khỏi dầu với cường độ lớn gây nên sủi bọt.
Quá trình thoát khí ra khỏi dầu có cường độ lớn hơn quá trình hòa tan khí. Khi áp suất
giảm và tốc độ tăng thì lượng khí thoát từ dầu hoặc lượng khí rò từ bên ngoài hệ bị cuốn
theo dầu và trở thành hỗn hợp cơ học với dầu hay còn gọi là thể vẩn của không khí với dầu
và có độ bền vững khá lớn theo thời gian. Hiện tượng này sẽ làm giảm lưu lượng của bơm
và gây ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường của hệ: làm gián đoạn màng dầu bôi trơn,
tăng sự mài mòn; khi bị nén thì nhiệt độ hỗn hợp tăng lên, dầu bị ôxy hóa và giảm khả
năng làm việc.

Hiện tượng này còn làm tăng tính đàn hồi (nén) của dầu thủy lực, do đó giảm độ cứng
truyền dẫn và gây nên sự chậm trễ tác động của hệ.
Ngoài ra, xâm thực cũng là một hiện tượng rất nguy hiểm ở hệ thống thủy lực (gây hư
hỏng).
d)- Độ đàn hồi của dầu thủy lực
Về mặt lý thuyết thì chất lỏng không có tính chịu nén, tuy nhiên, trong thực tế khi hệ
thống thủy lực làm việc với áp suất cao thì thể tích dầu bị giảm (do nó bị nén). Điều này
23
ảnh hưởng rất rõ đến tính năng động học của máy thủy lực, có thể gây nên rung động và
truyền động không ổn định của hệ thống. Khi cần đảm bảo độ chính xác cao thì cần phải
tính đến độ đàn hồi của dầu.
3- Yêu cầu đối với dầu thủy lực
Dầu thuỷ lực phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Có khả năng bôi trơn tốt trong phạm vi thay đổi lớn áp suất và nhiệt độ.
+ Độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Có tính trung hoà (trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả năng xâm nhập
của khí, nhưng dễ dàng tách khí ra.
+ Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt,
nhằm đảm bảo độ rò dầu ít nhất, cũng như tổn thất ma sát nhỏ nhất.
+ Dầu cần phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan nước và không khí, dẫn
nhiệt tốt.
4- Lựa chọn dầu thủy lực
Hiện tại có rất nhiều loại dầu khoáng dùng cho các hệ thống thủy lực với những yêu
cầu khác nhau. Khi thiết kế hệ thống thủy lực, việc lựa chọn dầu cho hệ thống phụ thuộc
rất nhiều yếu tố, vì thế khó có thể đề ra được những nguyên tắc cụ thể để lựa chọn mà chỉ
có thể dựa trên những nguyên tắc chung.
Trong quá trình sử dụng (khai thác) cần chọn đúng mã hiệu của dầu hoặc chọn loại
dầu thay thế do nhà chế tạo qui định hay chọn loại dầu có những đặc tính gần giống với
dầu đã cho.
Nguyên tắc chung để lựa chọn dầu là: hệ thống làm việc với áp suất cao cần dầu có độ

nhớt cao, và làm việc với vận tốc cao cần dầu có độ nhớt thấp.
Ngoài ra, cần phải chú ý đến những điểm tổng quát sau:
- Đối với hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động thẳng, làm việc với áp suất
khoảng (20

30) bar (20

30 kG/cm
2
) có vận tốc V>8 m/ph, thường dùng dầu có độ nhớt
(11

20).10
-6
m
2
/s, tương ứng với dầu công nghiệp 12 và 20.
- Đối với hệ thống thủy lực thực hiện chuyển động quay, thường dùng dầu có độ
nhớt từ (20

40).10
-6
m
2
/s, tương ứng với dầu tuabin 22 hoặc dầu công nghiệp 20, 30, 45.
- Đối với hệ thống làm việc với áp suất (30

70) kG/cm
2
thì dùng dầu có độ nhớt từ

(20

40).10
-6
m
2
/s. Theo tài liệu của hãng Vickers (Mỹ) thì dùng dầu có độ nhớt
(30

50).10
-6
m
2
/s.
- Với hệ thống cao áp (70

175) kG/cm
2
thì dùng dầu có độ nhớt từ (60

100).10
-6
m
2
/s. Với áp suất p >175 kG/cm
2
(như ở bơm thủy lực pittông rôto hướng kính) thì dùng
dầu có độ nhớt (100

200).10

-6
m
2
/s.
- Đối với những hệ thống thủy lực làm việc trong phạm vi nhiệt độ tương đối rộng
[từ (20

70)
0
C] thì có thể dùng dầu có độ nhớt từ (25

30).10
-6
m
2
/s.
Nếu cần đảm bảo độ chính xác truyền động cao trong phạm vi thay đổi nhiệt độ rộng,
người ta dùng dầu tổng hợp có tên gọi là Silidôn. Nó là một chất trùng hợp hữu cơ Silic có
nhiệt độ đông đặc từ (–50

-70)
0
C và độ nhớt rất ít bị thay đổi trong vùng nhiệt độ cao.
Sau một thời gian làm việc, tính chất của dầu thay đổi, khả năng làm việc của dầu bị
giảm thấp. Một trong những nguyên nhân chủ yếu là dầu phải chảy qua nhiều khe hở nhỏ
trong các cơ cấu thủy lực với vận tốc lớn, làm cho nó bị nóng lên, dẫn đến sự thay đổi cấu
trúc phân tử .
24
Vì thế, nên sau thời gian chừng (8


12) tháng cần phải thay dầu mới [khoảng 500 giờ
đối với hệ thống có tần số lưu thông dầu lớn, (2.000

5.000) giờ đối với hệ thống có tần số
lưu thông dầu không lớn].
Một số tính chất của một số loại dầu thông dụng được giới thiệu ở bảng 1.4.
Bảng 1.4- Tính chất của một số loại dầu thông dụng
Loại dầu
Khối lượng riêng
ở 20
0
C (kg/m
3
)
Độ nhớt ở
50
0
C (cst)
Nhiệt độ
ngưng tụ (
0
C)
Giới hạn nhiệt
độ làm việc (
0
C)
Điêden 8
Điêden 11
Điêden 14
Công nghiệp 12

Công nghiệp 14
Công nghiệp 30
Tuabin 22
Tuabin 30
Truyền động
905
881

909
901
901
896
8

9
10,5

12,5
13,5

15,5
10

14
17

23
27

33

20

23
28

32
9,6
-2
-13
-10
-30
-20
-15
-15
-10
-45
30

40
0

50
10

50
5

50
10


50
-10

90
Ở thị trường Việt nam hiện nay có một số loại dầu thông dụng của hãng PB như
CS32, HLP32 có độ nhớt khoảng 32 cst ở nhiệt độ 40
0
C và CS46, HLP46 có độ nhớt
khoảng 46 cst ở nhiệt độ 40
0
C .
Ý nghĩa ký hiệu của các loại dầu theo DIN 51524 và CETOP như sau:
H - dầu khoáng có tính trung hoà (trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả
năng xâm nhập của khí, nhưng dễ dàng tách khí ra.
L - dầu khoáng có pha thêm chất phụ gia để tăng các tính chất cơ học và hoá học
trong thời gian vận hành dài.
P - dầu khoáng có pha thêm chất phụ gia để giảm sự mài mòn và tăng khả năng chịu
tải.
Thông thường, người ta sử dụng dầu khoáng HL cho những yêu cầu đơn giản với áp
suất làm việc nhỏ hơn 200 bar; HLP cho những yêu cầu áp suất làm việc lớn hơn 200 bar.
1.6- CÁC DẠNG TỔN THẤT TRONG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC
Trong hệ thống thủy lực, ngoài năng lượng cần thiết để thực hiện công có ích, còn có
một phần năng lượng dùng để khắc phục các loại tổn thất phát sinh trong quá trình làm
việc như tổn thất thể tích, cơ khí và thủy lực.
1- Tổn thất thể tích hay còn gọi là tổn thất lưu lượng (do rò rỉ)
Tổn thất thể tích xảy ra do sự rò rỉ chất lỏng từ vùng có áp suất cao về vùng có áp suất
thấp qua các khe hở trong hệ thống thủy lực. Nếu áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ, độ
nhớt càng thấp thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích xảy ra chủ yếu ở các bộ phận
biến đổi năng lượng.
Tổn thất thể tích của bơm thủy lực được đánh giá qua hiệu suất lưu lượng:

b
b
Qb
Q
Q
0


trong đó: Q
b
– lưu lượng thể tích của bơm thủy lực khi làm việc với áp suất p;