Các bộ truyền động thủy lực (còn được gọi là các thiết bị đầu ra thủy lực) chuyển đổi năng lượng thủy lực trở lại thành năng lượng cơ học. Đây là nơi diễn ra toàn bộ chuyển động và công việc có thể quan sát được — yếu tố đầu tiên mà bất kỳ kỹ sư thiết kế nào cũng phải cân nhắc. Các bộ truyền động thủy lực được chia thành hai loại cơ bản: loại thẳng (xilanh) và loại quay (động cơ).

Xi lanh thủy lực

Một xilanh thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động cơ học thẳng hoặc chuyển động tuyến tính. Khi được nối với tải di chuyển, nó thực hiện công.

Cấu tạo của xilanh

Như đã giới thiệu trong các chương trước, một xilanh thủy lực chủ yếu bao gồm thân xilanh, hai nắp bịt kín ở hai đầu, pít-tông, thanh pít-tông và các cổng vào và ra. Mỗi đầu có một cổng — một cổng để dầu vào, cổng còn lại để dầu ra.

hình 6-1: Xilanh thủy lực hai chiều tiêu chuẩn. Dầu đi vào từ cổng bên trái làm thanh pít-tông vươn ra; dầu đi qua cổng bên phải sẽ thu thanh pít-tông lại.

Lực đầu ra của xilanh

Trong suốt hành trình của xi-lanh, năng lượng thủy lực tác động lên pít-tông chuyển động. Áp suất do năng lượng thủy lực này sinh ra sẽ không vượt quá lực cản do tải gây ra. Đối với một xi-lanh có kích thước đã biết, chúng ta cần xác định áp suất làm việc nào tạo ra một lực đầu ra cụ thể. Giá trị này có thể được tính toán (bỏ qua ma sát) bằng công thức sau:

Khi sử dụng công thức này, hoặc diện tích và áp suất được cho trước để tìm lực đầu ra, hoặc diện tích và lực đầu ra đã biết để tìm áp suất. Trong thực tế, chúng ta thường biết đường kính lòng xi-lanh và cần tính diện tích bề mặt pít-tông — tuy nhiên, việc tính diện tích hình tròn cũng đơn giản như tính diện tích hình vuông.

Diện tích hình tròn

Diện tích hình tròn bằng khoảng 78,54% diện tích hình vuông có cạnh bằng đường kính hình tròn. Chính xác hơn:

Một công thức khác thường được sử dụng:

Hình 6-2 Diện tích hình tròn = D² × 0,7854. Công thức đơn giản này được sử dụng thường xuyên trong các phép tính liên quan đến xi-lanh thủy lực.

Độ hành trình xi lanh

Khoảng cách mà năng lượng thủy lực tác động lên xác định lượng công được thực hiện — khoảng cách này chính là hành trình của xi-lanh. Như đã nêu ở trên, việc sử dụng áp suất thủy lực để khuếch đại lực dường như không tốn kém gì. Trong một số trường hợp cụ thể — khi hệ thống ở trạng thái tĩnh — một lực nhỏ có thể tạo ra một lực rất lớn mà không có sự hy sinh rõ ràng nào. Tuy nhiên, nếu lực được khuếch đại này cũng gây ra chuyển động, thì một yếu tố sẽ bị hy sinh: khoảng cách.

Thể tích xi-lanh (dung tích)

Mỗi xi-lanh thủy lực đều có một thể tích (dung tích) bằng hành trình của nó (tính bằng inch) nhân với diện tích piston (tính bằng inch²), cho ra thể tích tính bằng inch³ (cm³).

(inch³) = (inch²) × (inch) hoặc (cm³) = (cm²) × (cm)

Ví dụ: Pittông trên phải di chuyển 2 inch (5,08 cm) để pittông xi-lanh dưới di chuyển 1 inch (2,54 cm). Cả hai pittông đều thực hiện cùng một công. Pittông trên đẩy dịch chuyển 20 inch³ (327,8 cm³) chất lỏng — và pittông xi-lanh dưới cũng bị dịch chuyển bởi đúng lượng chất lỏng đó là 20 inch³ (327,8 cm³).

Tốc độ thanh pittông

Tốc độ thanh pittông của xi-lanh thủy lực phụ thuộc vào tốc độ chất lỏng điền đầy buồng phía sau pittông. Các công thức tính tốc độ thanh pittông:

Động cơ thủy lực

Động cơ thủy lực là một cơ cấu chấp hành chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học quay. Năng lượng quay này được truyền tới tải thông qua trục dẫn động.

Cấu tạo động cơ

Tất cả các động cơ thủy lực về cơ bản đều bao gồm một vỏ bọc có cổng vào và cổng ra, cùng một cụm quay được nối với trục dẫn động.

Nguyên lý hoạt động của động cơ thủy lực

Ví dụ minh họa ở đây là một động cơ thủy lực kiểu cánh gạt. Bộ phận quay bao gồm một roto và các cánh gạt có thể trượt tự do vào và ra khỏi các rãnh trên roto. Bộ phận quay được lắp đặt lệch tâm bên trong vỏ bọc; trục truyền động nối với tải.

Khi dầu đạt đến buồng xả với thể tích giảm dần, nó sẽ được tháo ra ngoài.

Hình 6-6: Nguyên lý hoạt động của động cơ cánh gạt. Dầu có áp suất tác dụng lên các mặt cánh gạt. Vì diện tích cánh gạt phía trên chịu áp suất lớn hơn diện tích cánh gạt phía dưới, nên lực tổng hợp làm quay roto.

Mô-men xoắn

Mô-men xoắn là một lực gây ra chuyển động quay hoặc xoắn. Mô-men xoắn là lực tác dụng tại một khoảng cách so với đường tâm trục. Đơn vị của mô-men xoắn là pound-inch (lb.in.) (hoặc niutơn-mét, Nm).

Công thức tính mô-men xoắn

Mô-men xoắn cho biết vị trí của lực so với đường tâm trục động cơ thủy lực. Công thức tính mô-men xoắn là:

(lb.in.) = (lb) × (in.) hoặc (Nm) = (N) × (m)

Ví dụ từ hình vẽ: Một lực 50 lbs (222 N) tác dụng lên tay quay nối với trục động cơ. Khoảng cách giữa tâm trục và điểm đặt lực là 10 in. (0,254 m). Mô-men xoắn sinh ra trên trục là 500 in.lbs (56,5 Nm). Nếu cùng một lực 50 lbs (222 N) tác dụng dọc theo tay quay dài 15 in. (0,38 m), thì mô-men xoắn trên trục sẽ là 750 in.lbs (84,6 Nm). Khoảng cách từ tâm trục đến điểm đặt lực càng lớn thì mô-men xoắn càng lớn. Lưu ý rằng mô-men xoắn không liên quan đến bất kỳ chuyển động nào.

Tải kết nối với trục truyền động của động cơ tạo ra mô-men xoắn như đã mô tả ở trên. Đối với động cơ thủy lực, đây là lực cản — lực này phải được khắc phục nhờ áp suất thủy lực tác dụng lên cụm quay của động cơ.

Công thức tính mô-men xoắn động cơ thủy lực

Tốc độ quay trục động cơ

Tốc độ quay trục động cơ thủy lực được xác định bởi tốc độ chất lỏng được bơm vào. Công thức tính là:

Điện

Ở các chương trước, chúng ta đã học rằng công suất là tốc độ thực hiện công, tức là mã lực = ft·lb/thời gian hoặc oát = jun/thời gian.

Công suất cơ học

Chúng ta cũng biết rằng mã lực (hp) hoặc oát (W) là đơn vị đo công suất. Nếu một xi-lanh thủy lực hoặc động cơ thủy lực kéo một tải với lực cơ học 550 lb (2.442 N) và di chuyển tải đó được 1 ft (0,30 m) trong 1 giây, thì công suất tiêu thụ là 1 mã lực (746 W). Nếu cùng một công (550 ft·lb / 746 J) được thực hiện trong nửa giây, thì tốc độ làm việc tăng gấp đôi và công suất đạt 2 mã lực (1.490 W).

Công suất thủy lực

Công cơ học do một xi-lanh hoặc động cơ truyền tới tải bằng công thủy lực cần thiết cho xi-lanh hoặc động cơ đó. Đối với một hệ thống thủy lực thực hiện công với tốc độ 550 ft.lbs mỗi giây (746 J), công thủy lực của hệ thống là 1 mã lực (746 W). Tuy nhiên, trong công thức tính công cơ học, các đơn vị "ft (m)" và "lbs (N)" được thay thế bằng các đại lượng thủy lực tương ứng "psi (bar)" và "gpm (Lpm)". Một hệ số chuyển đổi được sử dụng trong các phép tính công thủy lực nhằm biểu thị mối quan hệ giữa gpm, psi, ft và lbs (hoặc Lpm, bar, m và N).

Tính toán công suất hệ thống và xi-lanh

Để tính công suất của một xi-lanh thủy lực hoặc toàn bộ hệ thống thủy lực:

Để tính công suất đầu ra của động cơ thủy lực:

Bộ chấp hành dao động

Cho đến nay, chúng ta đã thảo luận về các động cơ thủy lực có đầu ra quay và các xi-lanh thủy lực có đầu ra chuyển động thẳng. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một loại bộ chấp hành khác tạo ra chuyển động quay trong giới hạn góc. Loại này được gọi là xi-lanh dao động hoặc động cơ dao động. Cấu trúc của nó nhỏ gọn, đơn giản và hiệu quả — tạo ra mô-men xoắn cao và chỉ yêu cầu không gian lắp đặt nhỏ, đồng thời dễ dàng lắp đặt.

Các bộ chấp hành dao động được sử dụng trong việc định vị máy công cụ, các thao tác uốn, nâng hoặc xoay các vật nặng, lật vật, định vị, đồ gá gia công, điều khiển trên tàu thủy, vận hành van, v.v.

Các loại bộ chấp hành dao động

Có nhiều loại xi-lanh dao động. Loại đơn giản nhất là cơ cấu dao động được dẫn động bởi xi-lanh thủy lực chuyển động thẳng, trong đó đầu thân xi-lanh được gắn cố định bằng chốt, còn thanh piston nối với một tay quay để truyền chuyển động quay cho trục. Xi-lanh dao động này có thể được điều khiển bằng van phân phối 4 cửa, với công tắc hành trình đặt tại mỗi đầu hành trình.

Giống như tất cả các thiết bị cơ khí, bộ truyền động dao động dựa trên xi-lanh tuyến tính này có một số đặc điểm cơ bản, bao gồm khả năng lắp ráp từ các linh kiện tiêu chuẩn sẵn có trên thị trường, mang lại cho nhà thiết kế sự linh hoạt cao và giúp kiểm soát chi phí nhờ việc dễ dàng tìm mua các phụ tùng thay thế.

Tuy nhiên, loại bộ truyền động dao động này cũng có những nhược điểm: thanh piston không được bảo vệ và tiếp xúc trực tiếp với môi trường xung quanh, đặc biệt do cơ cấu tay quay thường không được bịt kín, gây ra các nguy cơ về an toàn. Ngoài ra, trục truyền động thường phải chịu tải ngang lớn, dẫn đến hỏng sớm, mài mòn quá mức và kẹt.

Đối với loại bộ truyền động dao động cụ thể này, xi-lanh thủy lực phải có khả năng lắc tự do, do đó bắt buộc phải sử dụng các kết nối ống mềm; đồng thời, mô-men xoắn đầu ra không giữ nguyên trong suốt hành trình của xi-lanh.

Xi-lanh dao động kín

Xi lanh dao động được bao kín đi kèm rất giống với cơ cấu dao động dựa trên xi lanh tuyến tính nêu ở trên. Xi lanh được bao kín có một lớp vỏ bảo vệ bao phủ toàn bộ thanh piston và tay quay. Trục truyền động thường được trang bị thêm các ổ đỡ để ngăn ngừa tải ngang lớn. Loại này có thể được lắp đặt van điện từ, công tắc giới hạn hoặc công tắc hành trình. Phạm vi hành trình thường có thể điều chỉnh trong khoảng từ 85° đến 100°.

Xi lanh dao động kiểu lò xo hồi vị

Một loại khác là xi lanh dao động kiểu lò xo hồi vị, sử dụng xi lanh thủy lực kết hợp với lò xo hồi vị để đưa trục truyền động trở về vị trí ban đầu. Xi lanh dao động kiểu lò xo hồi vị có thể tạo ra mô-men xoắn lên tới 5.000 in.lbs (565 Nm).

Xi lanh dao động kiểu bánh răng – thanh răng

Loại xi lanh dao động phổ biến nhất là loại bánh răng - thanh răng. Loại này có thể duy trì mô-men xoắn đầu ra không đổi theo cả hai chiều trong suốt toàn bộ hành trình quay. Trong cấu hình này, áp suất thủy lực tác động lên pít-tông, đẩy thanh răng gắn với pít-tông, từ đó làm quay bánh răng chủ động để xoay trục. Các xi lanh bánh răng - thanh răng tiêu chuẩn có hành trình quay lần lượt là 90°, 180°, 360° hoặc thậm chí lớn hơn. Mô-men xoắn đầu ra của xi lanh bánh răng - thanh răng có thể đạt tới 52.000.000 in.lbs (5.876.000 Nm).

Động cơ dao động kiểu cánh gạt

Ngoài ra, cũng có sẵn loại động cơ dao động kiểu cánh gạt. Loại này có thể là một cánh gạt hoặc nhiều cánh gạt. Động cơ một cánh gạt có thể quay được 280°; động cơ hai cánh gạt có thể quay được 200°. Mô-men xoắn đầu ra của động cơ hai cánh gạt gấp đôi mô-men xoắn đầu ra của động cơ một cánh gạt. Loại động cơ dao động này có thể đạt mô-men xoắn đầu ra tối đa lên tới 500.000 in.lbs (Nm).

Động cơ dao động kiểu ren xoắn - then hoa

Có một loại động cơ dao động khác tạo ra mô-men xoắn bằng cơ chế then hoa xoắn ốc. Việc thay đổi chiều dài và bước then hoa cho phép điều chỉnh hành trình quay trong phạm vi rộng. Loại động cơ dao động này gồm một trục then hoa xoắn ốc và một áo pít-tông có then hoa bên trong lắp trên trục — chuyển động quay của áo pít-tông bị giới hạn bởi các thanh dẫn hướng. Khi áo pít-tông di chuyển bên trong xi-lanh, nó làm quay trục then hoa. Các hành trình quay tiêu chuẩn là 90°, 180°, 270° và 360°, với mô-men xoắn đầu ra lên đến 1.000.000 in.lbs (13.000 Nm).

Động cơ dao động kiểu xích và đĩa xích

Động cơ dao động kiểu xích và đĩa xích sử dụng pít-tông, xích và đĩa xích để truyền động trục. Bộ chấp hành này thường có một pít-tông lớn (dùng làm thiết bị truyền động) để kéo xích, và một pít-tông nhỏ nhằm ngăn dầu rò rỉ qua đường xích hồi. Mô-men xoắn đầu ra có thể đạt khoảng 23.000 in.lbs (2.599 Nm), và góc quay của trục truyền động có thể lên tới năm vòng đầy đủ hoặc 1.800°.

Để chọn xi lanh dao động phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, cần xem xét đồng thời các yếu tố như mô-men xoắn, tốc độ và phương thức vận hành. Việc lựa chọn động cơ dao động thực tế sẽ được trình bày chi tiết trong một chương khác, trong đó chúng tôi sẽ tiếp tục thảo luận về cách xác định loại xi lanh tác động đơn hay tác động kép, có nên sử dụng điều khiển định vị vòng kín hay không, có cần trang bị bộ giảm chấn hay không, v.v. Tần số vận hành hoặc chu kỳ vận hành cũng sẽ được xem xét.

Tóm tắt tốc độ bộ chấp hành

Tốc độ tuyến tính của cần piston xi lanh thủy lực phụ thuộc vào tốc độ mà bơm đưa chất lỏng vào buồng piston của xi lanh (gpm – gallon mỗi phút, hoặc L/phút). Tốc độ quay của trục đầu ra động cơ thủy lực phụ thuộc vào lưu lượng (gpm – gallon mỗi phút, hoặc L/phút) chất lỏng được bơm vào động cơ thủy lực.

Tóm tắt lực đầu ra của bộ chấp hành

Lực đầu ra của một xi-lanh được biểu thị bằng psi (bar) — lực đầu ra trên trục động cơ được xác định bởi áp suất tác dụng lên diện tích bề mặt tiếp xúc của cụm quay trong động cơ. Công suất do bộ chấp hành tạo ra là hàm số của tốc độ bộ chấp hành nhân với lực đầu ra của bộ chấp hành.

Đối với xi-lanh, lực đầu ra được biểu thị bằng psi và tốc độ thanh piston bằng gpm. Hằng số 0,000583 mô tả mối quan hệ giữa psi, gpm và công suất. Đối với động cơ, lực đầu ra được biểu thị bằng mô-men xoắn và tốc độ vận hành của động cơ bằng rpm. Hằng số 63.025 mô tả mối quan hệ giữa rpm, mô-men xoắn và công suất.