Chương 3 máy thủy lực thể tích

Chương 3
MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH
Máy thủy lực thể tích là danh từ chung chỉ các thiết bị máy móc trao
đổi năng lượng với chất lỏng theo nguyên lý nén chất lỏng trong các thể tích
kín. Máy thuỷ lực thể tích bao gồm các loại bơm và động cơ thuỷ lực thể
tích.
• Bơm thuỷ lực thể tích hút và đẩy chất lỏng qua bơm là do sự
thay đổi thể tích trong quá trình công tác của bơm.
• Động cơ thuỷ lực thể tích là máy thuỷ lực biến áp năng của dòng
chất lỏng thành cơ năng.
• Về nguyên tắc, bất kỳ máy thuỷ lực nào cũng có thể làm được
hai chức năng là bơm và động cơ.
3.1. BƠM PISTON
3.1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Bơm piston ra đời trước bơm ly tâm rất lâu. Năm 1640 nhà vật lý
học người Đức Ôttô Henrich đã chế tạo thành công bơm piston đầu tiên để
bơm nước và nén khí trong công nghiệp.
Bơm piston là loại bơm thực hiện quá trình hút đẩy chất lỏng do sự
thay đổi thể tích công tác trong bơm, được thực hiện nhờ piston chuyển
động tịnh tiến qua lại trong xi lanh.
Loại bơm piston chuyển động tịnh tiến trong xi lanh để hút và đẩy
chất lỏng qua hai van là loại máy thuỷ lực thể tích đơn giản nhất và ra đời
đầu tiên.
3.1.2. CẤU TẠO BƠM PISTON
Cấu tạo của bơm piston được thể hiện trên (Hình 3.1). Piston (9)
chuyển động tịnh tiến trong xy lanh (11) nhờ tay biên (2) nối liền với trục
khuỷu (10). Trục khuỷu nối với trục động cơ lai bơm. Giả sử piston đi sang
trái thì thể tích làm việc bên phải tăng lên, áp suất trong xi lanh khoang bên
phải giảm xuống đến giá trị nhỏ hơn áp suất cửa hút của bơm làm cho van
hút (7) bên phải nâng lên, van đẩy 6 phải đóng lại. Chất lỏng được điền vào
trong xy lanh khoang bên phải. Khoang bên trái của xy lanh do piston đi

sang trái lên thể tích khoang này nhỏ lại, áp suất tăng lên, van hút (7) bên
trái đóng lại và van đẩy (6) bên trái được nâng lên. Chất lỏng trong khoang
xy lanh bên trái được đẩy ra ngoài qua van đẩy (6) bên trái. Khi piston
chuyển động sang phải thì thể tích công tác của khoang bên trái tăng lên và
70


thể tích công tác của xy lanh khoang bên phải nhỏ lại. Khoang bên trái chất
lỏng được điền vào qua van hút (7) trái còn chất lỏng trong khoang công tác
của xy lanh phía bên phải thì được đẩy qua van đẩy (6) bên phải vào đường
ống đẩy. Quá trình hoạt động đó cứ tiếp diễn tạo nên các hành trình hút đẩy
liên tục của bơm, bơm luôn hút và đẩy chất lỏng qua bơm.

10
11
Hình 3.1. Cấu tạo bơm piston
1. Vỏ bơm, 2. Tay biên, 3. Bàn trượt, 4. Cán piston,
5. Cửa xả, 6. Van đẩy, 7. Van hút, 8. Cửa hút, 9. Piston, 10 trục
khuỷu, 11. Xy lanh
3.1.3. PHÂN LOẠI BƠM PISTON
Bơm piston có nhiều loại khác nhau, thường phân loại theo các cách
như sau:
Theo số lần làm việc trong một chu kỳ của bơm
♦ Bơm tác dụng đơn.
♦ Bơm tác dụng kép.
Theo áp suất mà bơm piston tạo ra
♦ Bơm áp suất thấp
P < 5 bar.
♦ Bơm áp suất trung bình
P = 5 - 50 bar.

♦ Bơm áp suất cao
P > 50 bar.
Theo lưu lượng bơm piston được chia thành
♦ Bơm có lưu lượng nhỏ
Q < 20 m3/h
♦ Bơm có lưu lượng trung bình
Q = 20 ÷ 60 m3/h
♦ Bơm có lưu lượng lớn
Q > 60 m3/h
71


Theo số vòng quay của động cơ điện lai
♦ Bơm thấp tốc
n <80 v/ph.
♦ Bơm trung tốc
n = 80÷ 150 v/ph.
♦ Bơm cao tốc
n = 150 ÷ 350 v/ph.
♦ Bơm đặc biệt cao tốc
n = 350 ÷ 750 v/ph.
Theo loại chất lỏng được bơm
♦ Bơm nước.
♦ Bơm dầu nhờn.
♦ Bơm sản phẩm dầu hoả.
♦ Bơm không khí.
Theo đặc điểm kết cấu của bơm được chia ra
♦ Bơm piston dạng đĩa: piston có dạng hình đĩa.
♦ Bơm piston hình trụ: piston có dạng hình trụ.
Theo phương thức lai truyền từ động cơ lai

♦ Các bơm truyền động gián tiếp là các bơm piston mà sự dẫn
động từ động cơ lai tới piston bơm thông qua cơ cấu biên khuỷu.
♦ Các bơm truyền động trực tiếp là những bơm piston mà sự dẫn
động tới piston bơm được trực tiếp truyền từ piston của máy hơi nước qua
cán piston.
Theo loại năng lượng dùng cho các động cơ lai bơm
♦Bơm lai bởi động cơ điện.
♦Bơm lai bởi động cơ hơi nước.
♦Bơm lai bởi động cơ đốt trong.
♦Bơm truyền động bằng tua bin thuỷ lực.
3.1.4. LƯU LƯỢNG TỨC THỜI VÀ LƯU LƯỢNG TRUNG BÌNH.
a. Lưu lượng trung bình Qtrung bình
Lưu lượng trung bình lý thuyết của bơm bằng tổng thể tích làm việc
của bơm trong một đơn vị thơì gian.
Lưu lượng trung bình của bơm được tính theo công thức sau:
π .D 2
Qtrungbình = F .S .n =
S .n
4

72


Trong đó : F =

π .D 2
diện tích mặt cắt ngang của piston.
4

D- Đường kính của xy lanh (m)

S - Hành trình của piston (m).
n- Vòng quay của trục khuỷu (vòng/phút)
Vậy lưu lượng lý thuyết trung bình của bơm piston tác dụng đơn là:
Ql =

q.n F .S .n
=
60
60

(m3/giờ)

Với bơm piston tác dụng kép (tác dụng hai phía của piston) nhiều
hiệu lực thì lưu lượng trung bình được tính theo công thức:
Qtungbình =

F .S .i.z.n
60

Với i là số hiệu lực của bơm (số xy lanh của bơm)
z. Số lần làm việc trong một chu kỳ của piston. Bơm piston tác dụng
đơn (z=1), bơm piston tác dụng kép (z=2).
Do có sự rò lọt chất lỏng trong quá trình làm việc nên có tổn thất lưu
lượng, vì vậy lưu lượng thực tế của bơm piston là:
Q = η Q.Qlt

ηQ- là hiệu suất của bơm
b. Lưu lượng tức thời
Lưu lượng tức thời phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của piston,
mà vận tốc này thay đổi theo thời gian nên lưu lượng tức thời của bơm cũng

thay đổi theo thời gian, ngay cả khi chế độ làm việc của bơm ổn định. Đây
là điểm khác nhau cơ bản giữa bơm piston và bơm ly tâm.
Chúng ta hãy tìm qui luật biến đổi lưu lượng và trị số của nó:
Xét một bơm piston tác dụng đơn, lưu lượng Q của bơm được tính
theo công thức Q = F.c.
F- diện tích mặt cắt ngang của piston và được tính theo công thức
F=
D- Đường kính xy lanh (m).
73

πD 2
(m2)
4


c- Vận tốc chuyển động của piston trong xy lanh (m/giây).
Vận tốc tức thời (c) của piston được tính theo công thức sau
c=

dS
dt

S - Quãng đường mà piston dịch chuyển được trong xy lanh khi trục
khưỷu quay một góc (β) và được tính theo công thức sau:
S = r - r.cosβ = r(1-cosβ)= r(1-cosωt)

β
S
Hình 3.2.Sơ đồ làm việc của bơm piston
Vận tốc chuyển động tức thời của piston khi trục khuỷu quay được

một góc (β) là:
c=

dS d
d
= r (1 − cos β ) = [ r.(1 − cos ωt ) ] = r.ω.sin ϖt = rω sin β
dt dt
dt

ω - Tốc độ góc quay của trục khuỷu và β=ωt.
Lưu lượng tức thời của bơm được xác định theo công thức sau:
Q=F.c=

πD 2
πD 2
rϖ sin β =
r.ω. sin ϖt
4
4
Q=k.sinωt

Vận tốc chuyển động của piston thay đổi theo dạng hình sin và phụ
thuộc vào góc quay của trục khuỷu, lấy điểm chết dưới của piston (điểm mà
tại đó piston bắt đầu thay đổi chiều chuyển động đi lên) là điểm xuất phát để
tính toán.
Trên đồ thị (Hình 3.3) ta thấy vận tốc cực đại của piston đạt được tại
ωt=π/2 và 3π/2, c=r.ω, cho nên Q cũng đạt giá trị cực đại tại ωt=π/2 và
3π/2. Ngược lại Q đạt giá trị bằng không tại ωt=π và 2π. Thực tế nếu tính
lưu lượng qua cửa đẩy của bơm thì bơm chỉ có một nửa chu kỳ đẩy là có sản
lượng, nửa chu kỳ còn lại là bơm hút chất lỏng (nửa dưới của đồ thị). Chính

74


vì vậy mà tại ống hút hoặc ống đẩy của bơm sản lượng không đồng đều. Từ
đó ta rút ra kết luận là bơm piston có sản lượng không đều.
Q [m3/s]
c [m/s]
Q=F.c
c=f(ωt)

π

3π/2

2π

ωt

π/2
cmax
Qmax
Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn qui luật biến đổi lưu lượng
của bơm piston theo thời gian
d. Hệ số không đồng đều của bơm piston tác dụng đơn
Sự không đồng đều về sản lượng của bơm piston được đánh giá
thông qua hệ số không đồng đều (δ) là tỷ số giữa lưu lượng tức thời cực đại
(qmax) và lưu lượng trung bình qtrung bình cho cả chu kỳ của bơm, hoặc tỷ số
giữa vận tốc tức thời cực đại của piston cmax và vận tốc trung bình của piston
ctrung bình
q

c
δ = max = max
qtrungbình ctrungbình
Ta đi tính hệ số không đồng đều của một số loại bơm piston.
a. Bơm piston một hiệu lực tác dụng đơn
Hình 3.4 thể hiện đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của bơm piston
tác dụng đơn một hiệu lực.
Vận tốc tức thời cực đại của piston cmax .
Cmax=rω
Vận tốc trung bình của piston ctrung bình.
C trungbình
75

π

rϖ
=  ∫ rϖ sin ϖtdt  : π =
π
0



q
qmax
π

0

2π

3π

4π

5π

ω

Hình 3.4. Đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của
bơm piston tác dụng đơn một hiệu lực
Hệ số không đồng đều của bơm một hiệu lực tác dụng đơn là:
q
v
πrϖ
δ = max = max =
= π = 3.14
qtrungbình vtrungbình
rϖ
b. Bơm piston một hiệu lực tác dụng kép
Hình 3.5 thể hiện đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của bơm piston
tác dụng kép một hiệu lực.
q
qmax
0

π

ω
2π

3π

4π

5π

Hình 3.5. Đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của
bơm piston tác dụng kép một hiệu lực
Lưu lượng tức thời cực đại của bơm được xác định như sau:
πD 2
q max =
.rϖ
4
Lưu lượng trung bình của bơm tính cho một vòng quay trục khuỷu
là:

πD 2
πD 2
ϖ πD 2 2
.S .n = 2.
.2r.
=
rϖ
4
4
2π
4 π
Hệ số không đồng đều của bơm piston một hiệu lực tác dụng kép là:
πD 2
.rϖ

q
π 3,14
δ = max = 42
= =
= 1,57
2 2
qtrungbình πD
2
.rϖ .
4
π
qtrungbình = 2.

76


c. Bơm piston hai hiệu lực tác dụng kép
(Hình 3.6, 3.7) thể hiện đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của bơm
piston tác dụng kép hai hiệu lực.
* Hai má khuỷu đặt lệch nhau một góc 1800.
q
qmax2
qmax1
0

π

2π

3π

4π

ω

5π

Hình 3.6. Đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của
bơm piston tác dụng kép hai hiệu lực khi hai má khuỷu đặt lệch
nhau một góc 1800.
Lưu lượng tức thời cực đại của bơm được xác định như sau:
πD 2
qmax = 2
.rϖ
4
Lưu lượng trung bình của bơm tính cho một vòng quay trục khuỷu
là:

πD 2
πD 2
ϖ πD 2 4
.S .n = 2.2.
.2r.
=
rϖ
4
4
2π
4 π
Hệ số không đồng đều của bơm là:

πD 2
2
.rϖ
q
π 3,14
4
δ = max =
= =
= 1.57 .
2
4 2
qtrungbình πD
4
.rϖ .
4
π
*Hai má khuỷu đặt lệch nhau một góc là 900.
qtrungbình = 2.2.

q
qmax
0

π

2π

3π

4π

5π

ω

Hình 3.7. Đồ thị biến thiên sản lượng tức thời của
bơm piston tác dụng kép hai hiệu lực khi hai má khuỷu đặt lệch
nhau một góc 900.
Lưu lượng tức thời cực đại của bơm được xác định như sau:
77


πD 2
.rϖ
4
Lưu lượng trung bình của bơm tính cho một vòng quay trục khuỷu
qmax =

là:

πD 2
πD 2
ϖ πD 2 4
qtrungbình = 2.2.
.S .n = 2.2.
.2r.
=
rϖ
4
4

2π
4 π
Hệ số không đồng đều của bơm piston là:
πD 2
.rϖ
qmax
π 3,14
4
δ=
=
= =
= 0.785 .
2
4 4
qtrungbình πD
4
.rϖ .
4
π
Như vậy bơm piston tác dụng kép hai hiệu lực khi các má khuỷu đặt
lệch nhau một góc 900 thì lưu lượng sẽ đều hơn khi các má khuỷu đặt lệch
nhau một góc 1800.
3.1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM ĐỀU SẢN LƯỢNG CỦA BƠM
PISTON
Do có sự không đồng đều về sản lượng (lưu lượng) đối với bơm
piston dẫn tới dao động về áp suất, làm tăng tốn thất thuỷ lực, gây chấn
động cho bơm và nếu bơm làm việc trong hệ thống ống dài có thể xuất hiện
va đập thuỷ lực, làm hỏng các bộ phận của bơm và hệ thống.
Trong trường hợp nhiều bơm cùng làm việc trong một hệ thống thì
biên độ dao động áp suất trong hệ thống có thể lớn vì cộng hưởng.

Ngoài ra sự dao động áp suất và lưu lượng của bơm còn ảnh hưởng
xấu đến chất lượng làm việc của hệ thống thuỷ lực.
Vì nhược điểm cơ bản này mà bơm piston có hệ số không đều về lưu
lượng lớn sẽ không được sử dụng trong các hệ thống thuỷ lực, hoặc các hệ
thống đòi hỏi độ chính xác cao. Do đó phải có biện pháp hạn chế sự không
đều sản lượng đối với bơm piston. Các biện pháp làm đếu sản lượng cho
bơm piston như sau:
a. Dùng bơm vi sai
Bơm vi sai đường ống đẩy
5
6
7
4
8
Q
3
2
1

ϕ
Hình 3.8. Bơm vi sai đường ống đẩy
78


Khi piston (6) chuyển động qua lại, từ ống hút (1), chất lỏng qua van
hút (2), vào khoang công tác (3) của xi lanh. Khi piston đi qua trái, chất
lỏng qua van (4), một phần theo đường ống (5) vào khoang bên phải (7) của
xi lanh, phần chất lỏng còn lại đúng bằng thể tích chiếm chỗ của cán piston
trong khoang (7) được đẩy vào đường ống đẩy. Khi piston chuyển động
sang phải thì phần chất lỏng ở khoang (7) của xi lanh sẽ bị đẩy vào đường

ống đẩy, còn thể tích công tác ở khoang (3) sẽ được nạp chất lỏng vào (Hình
3.8). Như vậy loại bơm này cung cấp chất lỏng vào đường ống đẩy trong cả
hai quá trình của piston.
Bơm vi sai đường ống hút
4

5

6

3

7

Q

ϕ

2
1

8

Hình 3.9. Bơm vi sai đường ống hút
Về nguyên lý làm đều sản lượng trên đường ống hút tương tự như
nguyên lý làm đều sản lượng trên đường ống đẩy
b. Bơm piston tác dụng kép
Q

ϕ

Hình 3.10. Bơm piston tác dụng kép
Piston (9) chuyển động tịnh tiến trong xy lanh nhờ tay biên (2) nối
với trục khuỷu. Trục khuỷu nối với trục động cơ lai bơm (Hình 3.10). Giả
sử piston chuyển động sang trái làm cho thể tích công tác khoang bên phải
tăng lên, áp suất trong khoang bên phải giảm xuống, van hút (7) bên phải
79


nâng lên, van đẩy (6) bên phải đóng lại. Chất lỏng được điền vào trong
khoang bên phải. Thể tích khoang bên trái của xy lanh giảm xuống do
piston chuyển động sang trái, áp suất tăng lên, van hút (7) bên trái đóng lại
và van đẩy (6) bên trái được nâng lên. Chất lỏng trong khoang xy lanh bên
trái được đẩy ra ngoài qua van đẩy bên trái. Khi piston chuyển động sang
phải thì thể tích công tác của xy lanh khoang bên trái tăng lên và thể tích
công tác của xy lanh khoang bên phải giảm xuống. Khoang bên trái chất
lỏng được điền vào qua van hút (7) trái còn chất lỏng trong khoang công tác
của xy lanh phía bên phải thì được đẩy qua van đẩy (6) bên phải vào đường
ống đẩy. Do cả hai phía của xy lanh đều có tác dụng hút đẩy nên cả một chu
kỳ công tác của bơm đều có sản lượng (Hình 3.9), sản lượng của bơm sẽ
đều hơn.
b. Dùng bơm nhiều hiệu lực
Trên (Hình 3.11) thể hiện một bơm piston tác dụng đơn ba hiệu lực.
Do bơm có ba xy lanh và các cổ biên bố trí lệch nhau 1200 nên nếu xi lanh
thứ nhất cấp chất lỏng vào đường ống đẩy thì sau 1200 lại đến xi lanh thứ hai
cấp chất lỏng vào đường ống đẩy, sau 120 0 tiếp theo lại xi lanh thứ ba cấp
chất lỏng vào đường ống đẩy nên sản lượng sẽ đều và áp suất của bơm ít
dao động.

Q

0

π

2π

3
π

4π ω

Hình 3.11. Bơm piston ba hiệu lực
80


d. Dùng bình điều hoà
Bình điều hòa trên đường ống hút

Q

ϕ

Hình 3.12. Dùng bình điều hòa trên đường ống hút
Cách làm việc của bình điều hoà lắp trên đường ống hút gọi tắt là
bình điều hoà hút của bơm (Hình 3.12).Trên đường ống hút của bơm đặt
bình điều hoà hút, nó chia đường ống hút ra làm hai phần:
♦ Phần thứ nhất là đoạn ống từ mặt thoáng của chất lỏng trong bể
hút đến bình điều hoà.
♦ Phần thứ hai là đoạn ống ngắn từ bình điều hoà hút đến xilanh

của bơm.
bình điều hoà có kích thước lớn hơn nhiều so với thể tích công tác
của xilanh bơm, nên sự dao động của mức chất lỏng trong bình nhỏ và áp
suất trong đoạn ống hút ít dao động. Trong thực tế nếu đoạn ống hút dài thì
mới làm bình điều hòa trên đường ống hút, còn nếu ống ngắn thì không cần
thiết.
Vì

Bình điều hoà bằng không khí trên đường ống đẩy:
Cách làm việc của bình điều hoà lắp trên đường ống đẩy gọi tắt là
bình điều hoà đẩy của bơm (Hình 3.13).Trên đường ống đẩy của bơm đặt
bình điều hoà.
Bình điều hoà đẩy lắp trên đường ống đẩy để:
♦ Làm đều lưu lượng trên đường ống đẩy.
♦ Làm giảm sự dao động cột áp trên đỉnh pitton trong quá trình đẩy.

81


Q

ϕ
Hình 3.13. Dùng bình điều hòa trên đường ống đẩy
Nhờ có bình điều hoà trên đường ống đẩy mà khắc phục được sự
không đồng đều về sản lượng đối với bơm piston. Khi piston (4) chuyển
động sang trái, thể tích công tác (3) nhỏ lại làm cho áp suất trong khoang
công tác tăng lên, van hút (8) đóng lại, van đẩy (9) mở ra, chất lỏng được
đẩy vào khoang đẩy. Do tại cửa đẩy có lắp bình điều hòa không khí nên khi
áp suất tại cửa đẩy tăng sẽ nén không khí trong bình lại và điền chất lỏng
vào trong bình. Do chất khí có độ đàn hồi tốt nên khi chất lỏng vào chiếm

chỗ trong bình thì áp suất trong bình cũng tăng không đáng kể. Khi piston
của bơm chuyển động sang phải thì thể tích công tác (3) sẽ tăng lên, áp suất
trong khoang giảm, van hút (7) mở ra còn van đẩy (9) đóng lại, chất lỏng
điền vào khoang công tác. Mặt khác khi van đẩy đóng lại, chất lỏng không
được điền vào đường ống đẩy nên áp suất trên đường ống đẩy giảm xuống,
không khí trong bình dãn nở và đẩy chất lỏng từ trong bình điều hòa vào
đường ống đẩy, tuy nhiên áp suất trong bình giảm không đàng kể do không
khí có hệ số dãn nở lớn. Như vậy cả hai hành trình hút đẩy của bơm thì trên
đường ống đẩy đều có sản lượng và dao động áp suất nhỏ.
3.1.6. XÁC ĐỊNH CỘT ÁP CỦA BƠM
a. Xác định cột áp đẩy của bơm
Khi bơm làm việc trong hệ thống đường ống để đẩy chất lỏng tới bể
đẩy, đỉnh piston chịu một áp lực do áp suất của chất lỏng ở cửa đẩy p đ tác
dụng lên. Để piston chuyển động và đẩy chất lỏng ra thì nó phải được tác
động một lực ngược với lực do áp suất của chất lỏng tác động lên. Đó chính
là cột áp đẩy của bơm. Để tính cột áp đẩy của bơm ta xét sơ đồ (Hình 3.14).
Viết phương trình Berllouli cho dòng chảy từ mặt cắt đỉnh piston
đến mặt thoáng bể đẩy là
p đ v đ2
p o v o2
+
+x=
+
+ hđ + ∑ htt
γ
2g
γ
2g
82

Pđ là áp suất đẩy tại đỉnh piston.
vđ là vận tốc dòng chảy tại đỉnh piston và chính bằng vận tốc chuyển
động tức thời của piston tại điểm x.
x là quãng đường mà piston dịch chuyển trong xy lanh từ điểm chết
dưới.
Pa là áp suất tại mặt thoáng của bể đẩy.
vđ là vận tốc dòng chảy tại mặt thoáng của bể đẩy.
hđ là chiều cao hình học từ mặt chuẩn đến mặt thoáng bể đẩy.
∑htt là tổng tổn thất thủy lực trên đường ống đẩy.

S=2r

hđ

P0

x

Pđ

Hình 3.14. Sơ đồ tính cột áp đẩy của bơm
pđ
v 2 − v đ2 p 0
= ( hđ − x ) + 0
+
+ ∑ htt
γ
2g
γ

Trong phương trình trên hđ = const, po = const và nếu két đủ lớn thì
vo=const. Các thông số vđ, ∑htt phụ thuộc vào quãng đường (x) tại thời điểm
tức thời. Ta có thể viết sang dạng tổng quát:
pđ
= f ( x)
γ
Trong đó (x) phụ thuộc vào vòng quay của động cơ.
Cột áp đẩy của bơm là:
p
H đ = đ = f ( t , n)
γ
Trong đó t là thời gian, n là tốc độ quay của động cơ lai.
83


b. Cột áp hút của bơm
Khi bơm trong hành trình hút sẽ tồn tại một đường dòng chất lỏng từ
mặt cắt bể hút tới đỉnh piston (Hình 3.15). Viết phương trình Berllouli cho
đoạn ống hút của bơm, tính từ mặt thoáng bể hút tới đỉnh piston ta có:
p o v o2
p
v2
+
= h + h + ( hh − x ) + ∑ htt
γ
2g
γ
2g
Ph. Áp suất tại đỉnh piston trong hành trình hút.
vh. Vận tốc dòng chảy tại đỉnh piston.

hh. Chiều cao hình học từ mặt chuẩn đến DCT của piston.
∑htt. Tổn thấtthủy lực trên đường ống hút.
ph
. Cột áp hút của bơm piston.
γ

S=2r

P

Xh

Hay

ph
p
v 2 − v h2
= o − ( hh − x ) − 0
− ∑ htt
γ
γ
2g
p
H h = h = f ( x) = f ( t, n)
γ

hh

h

P
0

Hình 3.15. Sơ đồ tính cột áp hút của bơm
Giá trị cột áp hút biến thiên theo thời gian (t), tốc độ quay của động
cơ (n) và phụ thuộc vào quãng đường (x) mà piston đã dịch chuyển.
84


3.1.7. TÍNH CÔNG TIÊU THỤ CỦA BƠM
Để tính công tiêu thụ của bơm ta có thể dùng công thức sau:
L = ∫ Fdx
x

x là quãng đường dịch chuyển của piston
F là lực tác dụng lên piston để piston dịch chuyển được quãng
đường (x).
F=Fđ+Fh

πD 2
Fđ = p đ .
4
Fh = p h .

πD 2
4

F = ( p đ − p h ).
L = ∫ F .dx = ∫
x

x

πD 2
4

p đ − p h πD 2
.γ .
dx
γ
4

2r

L=

∫ [ f ( n) − f ( n ) ]dx
đ

h

0

k là hệ số tính toán
Như vậy công tiêu thụ trong quá trình công tác của bơm biến thiên
theo áp suất hút, áp suất đẩy và theo thời gian tại quãng đường tức thời
piston chuyển động trong xy lanh.
3.1.8. CHỌN VÒNG QUAY CHO BƠM
Trong quá trình chế tạo và khai thác bơm piston, người ta phải hạn
chế tốc độ quay của bơm vì:

Tốc độ quay của bơm quá cao thì trong bơm sẽ xảy ra hiện tượng
xâm thực vì tốc độ quay của bơm liên quan đến áp suất công tác của nó. Khi
bơm quay tới một tốc độ mà áp suất hút của nó nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa
ứng với nhiệt độ công tác của chất lỏng gây ra hiện tượng xâm thực cho
bơm. Để tránh hiện tượng xâm thực trong bơm thì tốc độ quay của nó phải
nhỏ hơn số vòng quay mà tại đó áp suất hút của bơm đạt tới áp suất hơi bão
hòa ở nhiệt độ công tác của chất lỏng, tức là

85


ph
p
≥ bh
γ
γ
Hay
nB>nbh.
Trong đó (Ph) là áp suất hút của bơm, (Pbh) là áp suất hơi bão hòa của
chất lỏng ứng với nhiệt độ công tác của nó.
Do chất lỏng có độ nhớt và không chịu nén nên khi vòng quay quá
lớn thì chất lỏng sẽ không điền đầy xi lanh trong hành trình hút, còn hành
trình đẩy thì chất lỏng không thoát kịp ra khỏi xi lanh dẫn đến hiện tượng va
đập thủy lực và gây nên hiện tượng thủy kích làm phá hủy các chi tiết của
bơm piston. Điều này cực kỳ nguy hiểm cho bơm piston nên ta phải hạn chế
vòng quay cho bơm. Theo các tài liệu hướng dẫn sử dụng bơm thì vòng
quay của bơm không vượt quá 450 vòng/phút (tương đương với tốc độ
chuyển động tức thời của piston không vượt quá 16m/giây).
3.1.9. ĐẶC TÍNH CỦA BƠM PISTON
Đặc tính của bơm piston là đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa

các thông số của bơm như: H=f(Q), N=f(Q), η=f(Q).

∆Q
H

b

a

n3 n2 n1

n=const
n1>n2>n3
Q
Hình 3.16. Đặc tính cột áp của bơm piston
a. Lý tưởng, b. Thực tế
Trong trường hợp lý tưởng, không có rò lọt chất lỏng trong bơm nên
đường đặc H=f(Q) của bơm piston là các đường (a) song song với trục tung.
Trong thực tế do có sự rò lọt chất lỏng trong bơm ( ∆Q) nên đường đặc tính
H=f(Q) là các đường (b) có dạng cong về phía trục tung. Nếu áp suất công
tác của bơm càng lớn thì lượng rò lọt ( ∆Q) càng nhiều, tổn thất do rò lọt
86


càng lớn, hiệu suất của bơm càng nhỏ (Hình 3.16). Nếu tình trạng kỹ thuật
của bơm càng kém thì độ cong càng lớn.
Khi áp suất làn việc của bơm không đổi H=const nếu số vòng quay
(n) tăng lên thì lưu lượng (Q), công suất (N) và hiệu suất lưu lưọng (ηQ)
cũng sẽ tăng theo.
Q η N

N=f(H)

q

η=f(H)

H=f(Q)

H
Hình 3.17. Các đặc tính cơ bản của bơm piston
Hình 3.17 biểu diễn các đường cong đặc tính η= f(H); Q=f(H);
N=f(H) khi n=const.
Cột áp và lưu lượng càng lớn thì công suất càng lớn. Hiệu suất đạt
giá trị cực đại trong phạm vi cột áp nhất định. Khi cột áp cao quá thì hiệu
suất giảm do tổn thất lưu lượng lớn. Nếu áp suất hút thấp quá thì khả năng
điền công chất vào bơm kém dẫn đến hiệu suất thấp.
3.1.10. ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA BƠM PISTON VÀ CÁC THÔNG SỐ
CÔNG TÁC CỦA BƠM.
Q η N
q

QA
NA’

ηΑ”

N=f(H)
Hđ/ống=f(Q)
A

A’
η=f(H)
A’’
HA

H=f(Q)

H

Hình 3.18. Điểm làm việc của bơm piston với hệ thống.
Từ đồ thị (Hình 3.18) có thể xác định được điểm làm việc của bơm với hệ
thống là điểm (A) với sản lượng (QA) và cột áp (HA), công suất (NA’) và hiệu
suất (ηA”) là các thông số công tác của bơm.
87


3.13.11. ĐIỀU CHỈNH SẢN LƯỢNG CỦA BƠM PISTON.
Trong thực tế khai thác thì sản lượng (lưu lượng) của bơm luôn thay
đổi cho phù hợp với nhu cầu sử dụng lưu lượng trong hệ thống, cho nên cần
phải thường xuyên điều chỉnh sản lượng của bơm piston cho phù hợp. Lưu
lượng của bơm piston được điều chỉnh bằng các cách sau:
a. Thay đổi số vòng quay của động cơ lai. Phương pháp này thường
dùng cho động cơ hơi nước, bằng cách đóng mở van hơi cấp vào động cơ.
Đối với động cơ lai là động cơ điện mà dùng phương pháp điều chỉnh này
thì rất khó thực hiện được vì điều chỉnh rất phức tạp, khó chế tạo, giá thành
cao.
b. Điều chỉnh bằng van tắt để tháo bớt chất lỏng từ đường ống đẩy
về đường ống hút của bơm. Phương pháp này không kinh tế nhưng dễ điều
chỉnh và có thể điều chỉnh đa cấp. Có thể duy trì áp suất đẩy bằng cách dùng
van điều chỉnh áp lực đặt trên đường ống nối tắt. Phương pháp này hay

được ứng dụng để điều chỉnh sản lượng cho bơm piston.
c. Thay đổi chiều dài hành trình của piston bằng cách thay đổi vị trí
điểm tựa của thanh truyền (đối với loại bơm có thanh truyền chuyển động
kiểu đòn bẩy) trong quá trình làm việc bằng cơ cấu đặc biệt.
d. Điều chỉnh sản lượng bằng van đường ống nhánh (đường trích).
Phương pháp này là xả bớt một phần chất lỏng trong đường ống đẩy ra
ngoài để giảm lưu lượng trong đường ống đẩy. Phương pháp này ít sử dụng
vì không kinh tế.
3.1.12. CẤU TẠO BƠM PISTON

Hình 3.19. Mặt cắt dọc bơm piston tác dụng kép
1. Vỏ bơm, 2. Tay biên, 3. Bàn trượt, 4. Cán piston, 5. Cửa xả, 6. Van đẩy,
7. Van hút, 8. Cửa hút, 9. Piston, 10 trục khuỷu, 11. Xi lanh.
88


Cấu tạo bơm piston về cơ bản cũng giống như máy nén khí, máy nén
lạnh. Chúng đều có piston, xi lanh, trục khuỷu, tay biên, các van hút, van
đẩy. Tuy nhiên do đặc điểm công tác của bơm piston là bơm chất lỏng có độ
nhớt và không chịu nén nên kết cấu của bơm piston có khác đôi chút so với
kết cấu máy nén. Về cơ bản bơm piston được cấu tạo bởi các chi tiết bao
gồm piston, xi lanh, các cụm van, bộ làm kín đầu trục (Hình 3.19). Bây giờ
ta lần lượt đi nghiên cứu đặc điểm kết cấu của các chi tiết cơ bản trên.
a. Piston
Piston là chi tiết kết hợp với xy lanh và các hộp van tạo thanh
khoang công tác của bơm piston. Do piston chuyển động trong xy lanh tạo
nên quá trình hút đẩy của bơm nên giữa piston và xy lanh cần có độ kín khít
mà không ảnh hưởng đến sự chuyển động của piston, nên trên piston có
phay các rãnh để đặt các xéc măng làm kín. Tùy vào loại chất lỏng công tác,
điều kiện công tác, áp suất chất lỏng công tác mà piston chế tạo với vật liệu

và kiểu cách cho phù hợp (Hình 3.20)
3
3

a

2

b

4

c

1

5

d
Hình 3.20. Kết cấu các loại piston

a. Piston dạng đĩa với xéc măng bằng da, b. piston dạng đĩa
với xéc măng bằng gỗ phíp, c. Piston dạng đĩa với xéc măng
bằng cao su. d. Piston hình trụ với xéc măng bằng thép.
1. Piston, 2. Đĩa piston, 3. Xéc măng làm kín, 4. Cán piston,
5. Ê cu hãm piston vào cán piston.
89


Về cơ bản piston có hai loại cơ bản là piston hình trụ và piston hình

đĩa. Piston hình trụ làm việc ở áp suất trung bình và cao còn piston dạng đĩa
làm việc ở áp suất thấp. Thông thường piston được chế tạo liền hoặc đúc rời
sau đó ghép lại với nhau và chúng được nối với cán piston để truyền động.
Về vật liệu chế tạo piston thường bằng thép, gang, đồng hoặc bằng
thép không rỉ. Tùy theo loại công chất công tác mà người ta sử dụng các
dạng xéc măng cho phù hợp. Về cơ bản xéc măng có 4 loại là xéc măng
bằng da, xéc măng băng cao su, xéc măng bằng gỗ phíp và xéc măng bằng
kim loại. Xéc măng bằng kim loại thường dùng cho loại chất lỏng không ăn
mòn như dầu, dầu nhờn v.v, ba loại còn lại thường dung để bơm chất lỏng
có khả năng ăn mòn kim loại như nước biển..
b. Xi lanh
Có dạng hình trụ được làm bóng bề mặt công tác. Kích thước xi lanh
phụ thuộc vào áp suất công tác và tốc độ làm việc của bơm. Xi lanh có thể
chế tạo rời và lắp ghép vào vỏ bơm, hoặc có thể được đúc liền và làm nhẵn
bóng bề mặt công tác. Vật liệu chế tạo xi lanh là từ gang, thép, hợp kim
hoặc bằng đồng. (Hình 3.21) thể hiện kết cấu của một xi lanh chế tạo rời.
Mặt làm việc

Gờ lắp ghép

Hình 3.21. Kết cấu xi lanh rời
c. Hộp van
Hộp van và van là một tổ hợp các chi tiết được lắp ghép lại với nhau
và ghép nối với xi lanh tạo thành khoang công tác của bơm. Hộp van cho
phép chất lỏng chuyển động theo một chiều nhất định (Hình 3.22).

90


1

1

2
3

2
3
4

4

a

1

1
2

2

3

3

4

4

c

b

d

Hình 3.22. Kết cấu một số loại van
a. Loại van lá, b. Loại van tấm, c. loại van nấm,
d. Loại van bi cầu.
1. Tấm đỡ lò xo, 2. Lò xo, 3. Van, 4. Đế van
Để bơm hoạt động có độ tin cậy cao thì hộp van đỏi hỏi phải có các
yêu cầu sau:
Chắc chắn và tin cậy.
Có kích thước nhỏ gọn.
Có quán tính nâng hạ van nhỏ.
Tổn thất thủy lực qua van là nhỏ nhất.
Tiện lợi cho việc tháo lắp.
Chịu mài mòn và không bị phá hủy trong môi trường của chất lỏng.
Tuổi thọ cao.
Chính vì các yêu cầu trên mà cấu tạo của van thường là các dạng
hình nấm, bi cầu, cánh cửa. Chúng được chế tạo bằng các loại vật liệu khác
nhau như kim loại, bọc da, cao su, vải và chất dẻo. Dưới đây là một số loại
van cụ thể (Hình 3.20).
e. Bộ làm kín cán piston
Để ngăn ngừa rò lọt công chất từ khoang công tác của bơm ra ngoài
qua cán piston hoặc không khí xâm nhập vào trong khoang công tác của
91


bơm thì tại vị trí giữa cán piston với vỏ người ta bố trí thiết bị làm kín. Các
thiết bị làm kín thông dụng được chế tạo từ vải, sợi bông, sợi amiăng ở dạng
dây hoặc dạng vòng, được tẩm mỡ graphít. Có một số trường hợp chế tạo từ

da, cao su. Để tăng độ kín khít thì các bộ làm kín có thể lắp thêm lò xo
(Hình 3.23).
3

3

4

2
1

1

4

2

a

b

c
Hình 3.23. Kết cấu một số loại bộ làm kín
a. Loại các vòng trết, b. Loại cao su làm kín
c. Các vòng trết
1. Vỏ bơm, 2. Thiết bị làm kín, 3. Nắp ép bộ làm kín,
4. Cán piston
Khi chọn các bộ làm kín ta cần lưu ý các yêu cầu khai thác có liên
quan đến những vấn đề sau đây:
Nhiệt độ công tác của chất lỏng.

Áp suất công tác của chất lỏng.
Loại chất lỏng được bơm.
Tốc độ chuyển động tịnh tiến của piston.
Điều kiện bôi trơn.
Đối với chất lỏng công tác ở nhiệt độ và áp suất cao thì thông thường
bộ làm kín kiểu trết. Đối với loại bơm các te kín bôi trơn băng dầu thì bộ
làm kín thường là bằng cao su, vì bộ làm kín kiểu này có khả năng làm kín
92


tuyệt đối. Tuy nhiên làm kín kiểu này không làm việc được với chất lỏng có
nhiệt độ cao và áp suất lớn.
3.1.13. BƠM PISTON TRUYỀN ĐỘNG TRỰC TIẾP

16

Hình 3.24. Bơm piston truyền động trực tiếp loại Simplex.
1.Xi lanh động cơ hơi, 2. Cán piston của động cơ hơi nước , 3. Xi lanh bơm
chất lỏng, 4. Sơ mi xi lanh của bơm, 5. Cán piston bơm, 6. Piston bơm, 7.
Thiết bị làm kín cán piston bơm, 8. a.Van hút, b. Van đẩy, 9. Bình điều hoà
không khí, 10. Cán van phân phối hơi, 11. Ốc điều chỉnh hành trình, 12. Van
hơi, 13. b. Lỗ vào xi lanh hơi, b. Lỗ xả của xi lanh hơi, 14. Lỗ xả của hộp
hơi, 15. Piston của động cơ hơi nước, 16. Cần điều khiển
Bơm piston truyền động trực tiếp là loại bơm lai trực tiếp từ động cơ
hơi nước kiểu piston hơi. Loại bơm này thường được lắp đặt trên các tàu
dầu, tàu hóa chấtv.v. (Hình 3.24) thể hiện kết cấu một bơm piston truyền
93


động trực tiếp loại simplex. Bơm do động cơ hơi nước lai và dùng tín hiệu

của cần đẩy piston để điều khiển cơ cấu phân phối hơi.
Khi van hơi (12) đang ở vị trí cấp hơi vào xi lanh (1) phía trên của
piston (15), còn khoang xi lanh phía dưới của piston được thông với phần
thấp áp. Do chênh áp làm piston chuyển động xuống dưới, cán piston (2)
cũng chuyển động xuống dưới. Do nguyên lý đòn bẩy nên khi cán piston (2)
chuyển động xuống dưới thì cần điều khiển (16) xoay ngược chiều kim
đồng hồ cho đến khi tỳ vào ốc điều chỉnh (11) của cán van phân phối hơi
(10) thì sẽ đẩy van (12) đi lên. Van (12) đi lên sẽ đổi chiều cấp hơi vào xi
lanh (1) làm piston chuyển hướng chuyển động. Khi piston (15) chuyển
động, thông qua cán piston (2) làm piston bơm (6) cũng chuyển động trong
xi lanh (4) tạo nên quá trình hút đẩy của bơm.
Loại bơm này hoạt động độc lập. trong thực tế người ta chế tạo loại
bơm hoạt động theo cặp lắp trên cùng một giá đỡ, trong đó tín hiệu dịch
chuyển của bơm này sẽ điều khiển cơ cấu phân phối của bơm kia và ngược
lại. Loại bơm này gọi là bơm Dublex.
3.1.14. NHỮNG ĐIỀU CHÚ Ý KHI KHAI THÁC BƠM PISTON
Khai thác bơm pitton cần thực hiên theo các yêu cầu và hướng dẫn
sử dụng của nhà chế tạo. Để khai thác bơm có hiệu quả nhất ta cần phải có
những lưu ý sau:
a. Trước khi khởi động bơm
Xem xét bên ngoài bơm có vật gì cản trở hay không.
Quay bơm một đến hai vòng xem bơm có bị kẹt hay không.
Bôi trơn các bề mặt làm việc.
Định kỳ kiểm tra van an toàn, tránh kẹt van.
Sau khi tiến hành các công việc trên, cho bơm hoạt động. Khi khởi
động tuyệt đối không được đóng van xả của bơm. Để giảm tải cho bơm khi
khởi động ta có thể nới hết van an toàn để bơm khởi động nhỏ tải nhất.
b. Trong thời gian bơm làm việc cần theo dõi
Các dụng cụ đo và kiểm tra áp suất, dòng tải .v.v.
Sự cấp dầu đến các bề mặt làm việc.

Sự làm việc của các bình điều hoà.
Kiểm tra sự rò rỉ từ bộ phận làm kín của bơm.
Khi xuất hiện những dấu hiệu làm việc bất thường của bơm thì phải
tìm nguyên nhân và khắc phục ngay.
94