Tài liệu đhnn.giáo trình truyền động thủy lực và khí nén pgs.ts.bùi hải triều, 403 trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Pgs.ts. BÙI HẢI TRIỀU (Chủ biên) ts. nGUYỄN NGỌC QUẾ, ts. ðỖ HỮU QUYẾT TS. NGUYỄN VĂN HỰU GIÁO TRÌNH TRUYỀN ðỘNG THUỶ LỰC VÀ KHÍ NÉN Hµ néi – 2006 Lêi nãi ®Çu Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, cïng víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña kü thuËt tù ®éng ho¸, kü thuËt ®iÖn tö vµ kü thuËt sè, kü thuËt thuû khÝ ngµy cµng cã ý nghÜa lín trong c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng vµ ®iÒu khiÓn. Trong c¸c lÜnh vùc chÕ t¹o m¸y vµ kü thuËt « t« - m¸y kÐo, thuû lùc vµ khÝ nÐn ®ang cã mét vai trß ®¸ng kÓ do cã mËt ®é c«ng suÊt cao, cÊu tróc hÖ thèng ®¬n gi¶n, ®é tin cËy cao, vµ ®Æc biÖt lµ cã kh¶ n¨ng thiÕt lËp mét hÖ thèng truyÒn ®éng vµ ®iÒu khiÓn bÊt kú víi c¸c phÇn tö cÊu tróc tiªu chuÈn. H¬n n÷a, kh¶ n¨ng bè trÝ c¸c phÇn tö tù do vµ linh ®éng theo kh«ng gian vµ sö dông c¸c van ®iÒu khiÓn ®iÖn cã chi phÝ c«ng suÊt nhá lµ tiÒn ®Ò quan träng cho c¸c gi¶i ph¸p truyÒn ®éng hiÖn ®¹i. §Æc ®iÓm cña hÖ thèng truyÒn ®éng thuû lùc, khÝ nÐn lµ c¸c phÇn tö cÊu tróc ®ßi hái ®é chÝnh x¸c chÕ t¹o vµ ®é bÒn rÊt cao, do ®ã ®Ó chÕ t¹o hoµn thiÖn mét hÖ thèng víi tr×nh ®é c«ng nghÖ hiÖn t¹i ë n−íc ta lµ ch−a cho phÐp. ThiÕt kÕ hÖ thèng trªn c¬ së lùa chän vµ nhËp ngo¹i c¸c phÇn tö cÊu tróc tiªu chuÈn, tù chÕ t¹o c¸c phÇn th« ®Ó hoµn thiÖn hÖ thèng truyÒn ®éng vµ ®iÒu khiÓn theo nhiÖm vô c«ng nghÖ cho tr−íc ®ang lµ h−íng ®i ®óng ®Ó ph¸t triÓn kü thuËt thuû lùc vµ khÝ nÐn ë ViÖt Nam hiÖn nay. §ã còng chÝnh lµ môc ®Ých mµ cuèn s¸ch nµy muèn ®¹t ®Õn. Gi¸o tr×nh TruyÒn ®éng Thuû lùc vµ KhÝ nÐn giíi thiÖu nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n nhÊt trong kü thuËt thuû lùc vµ khÝ nÐn, nh− c¸c c¬ së vËt lý vµ kü thuËt cña thuû lùc vµ khÝ nÐn, c¸c nguyªn t¾c cÊu t¹o vµ c¸c tÝnh chÊt ho¹t ®éng c¬ b¶n cña c¸c phÇn tö cÊu tróc nh− b¬m dÇu, m¸y nÐn khÝ, c¸c van ®iÒu khiÓn, c¸c ®éng c¬ vµ c¸c xy lanh lùc. Bªn c¹nh ®ã, cuèn s¸ch cßn ®Ò cËp ®Õn c¸c kiÕn thøc vÒ kÕt nèi m¹ch thuû lùc, khÝ nÐn, vÒ tÝnh chÊt ho¹t ®éng cña c¸c m¹ch truyÒn ®éng vµ ®iÒu khiÓn tiªu biÓu, vÒ kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn vµ ®iÒu chØnh hÖ thèng mét c¸ch tù ®éng, tõ ®ã t¹o kh¶ n¨ng ®Ó lùa chän c¸c phÇn tö tiªu chuÈn vµ thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng, ®iÒu khiÓn thuû lùc, khÝ nÐn phï hîp víi yªu cÇu c«ng nghÖ ®S ®Æt ra. Gi¸o tr×nh truyÒn ®éng thuû lùc vµ khÝ nÐn ®−îc biªn so¹n theo yªu cÇu gi¶ng d¹y m«n häc TruyÒn ®éng Thuû lùc vµ KhÝ nÐn cho sinh viªn ngµnh kü thuËt c¬ khÝ, tr−êng §¹i häc N«ng nghiÖp I - Hµ Néi. KiÕn thøc cña m«n häc lµm c¬ së cho c¸c m«n häc tiÕp theo, nh− « t« - m¸y kÐo vµ xe chuyªn dông, c¸c m¸y n«ng nghiÖp phøc t¹p, m¸y vµ thiÕt bÞ trong b¶o qu¶n vµ chÕ biÕn n«ng s¶n. Ngoµi ra, gi¸o tr×nh còng cã thÓ ®−îc sö dông lµm tµi liÖu tham kh¶o cho sinh viªn vµ kü s− ho¹t ®éng trong c¸c lÜnh vùc chÕ t¹o m¸y vµ tù ®éng ho¸. Gi¸o tr×nh nµy do PGS. TS. Bïi H¶i Triªï, tr−ëng bé m«n Kü thuËt §éng lùc lµm chñ biªn, TS. NguyÔn V¨n Hùu - bé m«n M¸y N«ng nghiÖp, TS. NguyÔn Ngäc QuÕ - bé m«n Kü thuËt §éng lùc, TS. §ç H÷u QuyÕt – bé m«n C¬ häc kü thuËt cïng tham gia biªn so¹n. Gi¸o tr×nh nµy ®−îc biªn so¹n trªn c¬ së nh÷ng tµi liÖu gi¶ng d¹y vµ nghiªn cøu trong vµ ngoµi n−íc vÒ kü thuËt thuû khÝ, vÒ øng dông cña thuû lùc vµ khÝ nÐn trong c¸c lÜnh vùc kü thuËt, ®Æc biÖt lµ øng dông trªn c¸c m¸y tù hµnh ho¹t ®éng trong c¸c lÜnh vùc: l©m nghiÖp, x©y dùng, giao th«ng, khai kho¸ng … §Ó hoµn thiÖn cuèn gi¸o tr×nh nµy c¸c t¸c gi¶ xin c¸m ¬n TS. Hans Maack, viÖn C¬ §iÖn tö vµ Kü thuËt TruyÒn ®éng, Tr−êng Tæng hîp Rostock ®S tÆng vµ gióp s−u tÇm c¸c tµi liÖu quan träng trong lÜnh vùc kü thuËt thuû khÝ. C¸c t¸c gi¶ còng xin c¶m ¬n GS. TS. Renuis, ViÖn m¸y N«ng nghiÖp, tr−êng B¸ch khoa Munich ®S khuyÕn khÝch, t− vÊn x©y dùng m«n häc vµ gi¸o tr×nh TruyÒn ®éng Thuû lùc vµ KhÝ nÐn øng dông trong lÜnh vùc c¬ khÝ n«ng nghiÖp. M«n häc TruyÒn ®éng thuû lùc vµ khÝ nÐn lÇn ®Çu tiªn ®−îc x©y dùng, do ®ã gi¸o tr×nh sÏ kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. RÊt mong b¹n ®äc ®ãng gãp nh÷ng ý kiÕn ®Ó cuèn s¸ch ®−îc hoµn thiÖn h¬n. C¸c ý kiÕn ®ãng gãp phª b×nh xin göi vÒ Bé m«n Kü thuËt §éng lùc, Khoa C¬ - §iÖn, Tr−êng §¹i häc N«ng nghiÖp I – Hµ Néi. Xin ch©n thµnh c¶m ¬n! C¸c t¸c gi¶ Mở ñầu Trong ngành cơ khí, truyền ñộng thuỷ lực và khí nén ñược xếp vào chuyên ngành kỹ thuật truyền lực. Nhiệm vụ của kỹ thuật truyền lực là xây dựng hệ thống truyền lực của máy hay thiết bị sao cho nhiệm cụ công nghệ của chúng ñược thực hiện tối ưu. Thí dụ hệ thống truyền lực của một xe hơi, hệ thống truyền lực của một máy ép,… ðộng cơ Me, ωe Hệ thống truyền ñộng Ma, ωa, (Fa, va) Máy hay thiết bị cần dẫn ñộng Hình 1. Sơ ñồ nguyên lý của một hệ thống truyền lực Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền lực ñược trình bày trên hình 1. Công suất truyền lực ñược cung cấp từ ñộng cơ ñiện hay ñộng cơ ñốt trong. Các thông số ra Me và ωe của ñộng cơ cần ñược chuyển ñổi thành các thông số vào yêu cầu của một máy hay thiết bị chuyển ñộng quay Ma, ωa, hoặc là các thông số vào của máy hay thiết bị chuyển ñộng tịnh tiến Fa, va nhờ một bộ chuyển ñổi. Nhiệm vụ chuyển ñổi năng lượng này ñược các hệ thống truyền ñộng ñảm nhận. ðối với các máy công tác khác nhau, các nhà thiết kế có rất nhiều dạng truyền ñộng khác nhau ñể lựa chọn ra phương án phù hợp với ñiều kiện cụ thể. Các hệ thống truyền ñộng có thể ñược phân loại theo loại phần tử ñể chuyển ñổi các thông số vào thành các thông số ra: * Truyền ñộng cơ học: Các phần tử truyền năng lượng là các bộ truyền cơ học (bánh răng, ñai, xích, v.v.). Trong loại truyền ñộng này việc thay ñổi tỷ số truyền vô cấp chỉ có thể thực hiện trong khoảng giới hạn. Truyền ñộng cơ học yêu cầu một không gian lắp ñặt cố ñịnh giữa ñộng cơ truyền lực và máy công tác. * Truyền ñộng ñiện: Tần số quay của ñộng cơ ñiện hiện nay có thể thay ñổi trong một khoảng rộng. Nhờ ñó một phần chức năng truyền ñộng từ ñộng cơ và ñiều khiển truyền ñộng ñã ñược thực hiện ngay trên ñộng cơ ñiện. Trong ña số các trường hợp, hệ thống truyền ñộng ñiện cần có một bộ truyền cơ học với tỷ số truyền không ñổi ñể làm thích ứng mô men quay và tần số quay với các thông số yêu cầu của thiết bị cần dẫn ñộng. Hệ thống truyền ñộng ñiện cũng yêu cầu một không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác. * Truyền ñộng thuỷ lực: Trong truyền ñộng thuỷ lực việc truyền công suất trong hệ thống do chất lỏng ñảm nhận. Tuỳ theo việc sử dụng năng lượng của dòng chất lỏng là thế năng hay ñộng năng mà hệ thống ñược gọi là truyền ñộng thuỷ tĩnh hay truyền ñộng thuỷ ñộng. + Truyền ñộng thuỷ tĩnh làm việc theo nguyên lý choán chỗ. Trong trường hợp ñơn giản nhất, hệ thống gồm một bơm ñược truyền ñộng cơ học cung cấp một lưu lượng chất lỏng ñể làm chuyển ñộng một xy lanh hay một ñộng cơ thuỷ lực. Áp suất tạo bởi tải trọng trên ñộng cơ hay xi lanh lực cùng với lưu lượng ñưa ñến từ bơm tạo thành công suất cơ học truyền ñến các máy công tác. ðặc tính của truyền lực thuỷ tĩnh có tính chất: tần số quay cũng như vận tốc của máy công tác trong thực tế không phụ thuộc vào tải trọng. Do có khả năng tách bơm và ñộng cơ theo không gian và sử dụng các ñường ống rất linh ñộng nên không cần một không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác. Trên hệ thống truyền ñộng thuỷ tĩnh có thể thay ñổi tỷ số truyền vô cấp trong một khoảng rộng. Chất lỏng thuỷ lực hiện nay Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….1 có thể ñược sử dụng là dầu từ dầu mỏ, chất lỏng khó cháy, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc nước. + Truyền ñộng thuỷ ñộng ñược cấu tạo từ một phần bơm và một phần ñộng cơ (tua bin). Việc chuyển ñổi mô men và tần số quay ñược thực hiện nhờ ñộng năng của khối chất lỏng. ðường ñặc tính của truyền ñộng thuỷ ñộng có tính chất: tần số quay của phần bị ñộng giảm khi mô men quay tăng. Trong sử dụng, truyền ñộng thuỷ ñộng có cấu trúc gọn nhưng yêu cầu có một không gian xác ñịnh giữa ñộng cơ và thiết bị cần dẫn ñộng. * Truyền ñộng khí nén: Cấu trúc tổng quát của truyền ñộng khí nén cũng tương tự như cấu trúc của truyền ñộng thuỷ tĩnh. ðiều khác biệt cơ bản dẫn ñến sự khác biệt về tính chất hoạt ñộng và cấu trúc của các chi tiết là môi chất truyền năng lượng. Trong các hệ thống truyền ñộng khí nén môi chất là không khí nén – một chất “lỏng” chịu nén. Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt ñộng các ñộng cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường. Ngoài ra ñể thiết kế một hệ thống truyền lực còn có các giải pháp kết hợp: thuỷ lực – khí nén; ñiện – khí nén; ñiện – thuỷ lực, … Giải pháp tối ưu cho một nhiệm vụ ñiều khiển và truyền lực luôn phụ thuộc vào mức ñộ thực hiện các yêu cầu công nghệ, kỹ thuật và kinh tế. Trong kỹ thuật có hàng loạt các trường hợp ứng dụng và các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu. Khi ñó việc lựa chọn sử dụng loại truyền lực và truyền ñộng nào là dựa vào các lợi thế ñặc biệt của một loại. Các bộ truyền lực tịnh tiến ñể khắc phục lực tải lớn với vận tốc nhỏ thường ñược thực hiện bằng thuỷ lực. Thí dụ cho các trường hợp này là các máy nén ép trong công nghiệp ô tô và công nghiệp chế tạo vật liệu nhân tạo, bộ phận nâng hạ trong các máy nâng hàng, máy xúc và cần cẩu tự hành,… Cả truyền ñộng của các máy công tác hạng nặng và các máy công nghiệp cũng ñược thực hiện bằng thuỷ lực. Trong các máy công cụ, trong kỹ thuật rô bốt và chế tạo máy, trong chế tạo tàu biển, hàng không, trên các xe vận tải cũng luôn gặp các ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực và khí nén. Trong kỹ thuật truyền lực, ñiều khiển và ñiều chỉnh ngoài thuỷ lực và khí nén còn ứng dụng cả các giải pháp cơ học, ñiện - ñiện tử hoặc liên hợp các giải pháp. ðặc biệt các bộ truyển thuỷ lực - ñiện và khí nén - ñiện ngày càng ñược phát triển rộng rãi do ñược kết nối với máy tính và ứng dụng kỹ thuật ñiều khiển số. Các hệ thống thuỷ lực và khí nén ñiều khiển số ngày càng có ý nghĩa lớn trong sản xuất. Những cơ sở vật lý, những kiến thức về cấu trúc, các nguyên lý hoạt ñộng của các thiết bị cũng như các mạch thuỷ lực và khí nén ñược trình bày trong cuốn sách sẽ giúp cho sinh viên và các kỹ sư cơ khí có thể thiết kế ñược các hệ thống truyền lực thuỷ lực và khí nén hoạt ñộng có hiệu quả và chính xác. Từ ñó tạo ra khả năng mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ thuật thuỷ khí. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….2 Phần A Truyền ñộng thuỷ lực Chương I Cơ sở kỹ thuật truyền ñộng thuỷ lực 1.1. Cấu trúc và hoạt ñộng của một bộ truyền ñộng thuỷ lực Cấu trúc và tác ñộng lẫn nhau của các nhóm cấu trúc truyền ñộng thuỷ lực ñược trình bày trên hình 1.1. Phần thuỷ lực bao gồm bơm thuỷ lực ñể tạo dòng dầu có áp suất, xy lanh thuỷ lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực là phụ tải. Giữa các phần tử cơ bản còn có ống dẫn dầu, các van ñiều khiển và các bộ phận phụ trợ thuỷ lực ñặc biệt như bình lọc, bộ làm mát, bộ tích áp và các bộ phận khác. Chuyển ñổi công suất cơ học Pch = M 1ω1 Máy công tác (máy nén ép hoặc truyền lực chuyển ñộng của xe hơi) Máy ñộng lực (ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ ñốt trong) Bơm thuỷ lực Pch= F.v hoặc Pch = M 2 ω 2 F v M2 n2 M1 n1 Công suất thuỷ lực Prl= p.Q Chuyển ñổi công suất cơ học p Q ðường ống Phụ kiện Phần tử ñiều khiển Xy lanh thuỷ lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực Công suất thuỷ lực Prl= pQ Hình 1.1. Sơ ñồ truyền công suất trong một thiết bị thuỷ lực Máy ñộng lực thường ñược sử dụng là ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ ñốt trong, truyền cho bơm mô men quay M1 và tần số quay n1 (v/s) và cung cấp một công suất cơ học: Pch. =2 πM1n1 Công suất này ñược chuyển ñổi thành công suất thuỷ lực trong bơm: Prl. = pQ, trong ñó: p là áp suất dầu yêu cầu từ máy công tác; Q- lưu lưu lượng ñược tính từ tần số quay và kích thước của bơm. Dòng dầu có áp suất trong thiết bị thuỷ lực ñược dẫn qua các ñường ống và các van ñiều khiển ñến xy lanh lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực, tại ñó công suất thuỷ lực lại ñược biến ñổi thành công suất cơ học cần thiết của máy công tác. ðối với các xy lanh thuỷ lực công suất cần thiết ñược tính theo lực yêu cầu trên cần pít tông và vận tốc pít tông: Pch. = Fv ðối với ñộng cơ thuỷ lực công suất yêu cầu ñược tính theo số liệu của máy công tác: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….3 Pmech. = 2 πM2n2 Sơ ñồ kỹ thuật biểu diễn bộ truyền theo ký hiệu mạch xy lanh thuỷ lực ñược trình bày trên hình 1.2. Hình trên cùng (1.2a) mô tả hoạt ñộng chung của bơm thuỷ lực, xy lanh thuỷ lực và thùng dầu. Trong sơ ñồ này sử dụng bơm có thể tích làm việc không ñổi và một xy lanh tác ñộng kép. Bơm thuỷ lực hút dầu từ bình và cung cấp lưu lượng dầu Q với áp suất p ñến xy lanh. Lưu lượng Q tỷ lệ thuận với tần số quay của bơm dầu và xác ñịnh vận tốc của pít tông. Mô men truyền lực tỷ lệ thuận với áp suất ñược tạo ra ứng với tải trọng tác ñộng lên pít tông. a) b) c) Hình 1.2. Truyền ñộng cho một xy lanh thuỷ lực a- Cấu trúc cơ bản; b- Hành tình tiến; c- Hành trình trả về. Do bơm chỉ cung cấp một phía, trong khi ñó xy lanh lại cần chuyển ñộng ñược cả hai chiều, cho nên cần bố trí một van phân phối ñể hướng dẫn dòng dầu ñến mỗi phía mong muốn của pít tông. Van phân phối xác ñịnh việc khởi hành, dừng lại và chiều chuyển ñộng (nghĩa là toàn bộ quá trình chuyển ñộng) của pít tông. Trên hình 1.2b van phân phối ñang ở vị trí ñiều khiển hành trình tiến của pít tông. Lúc ñó dòng dầu từ bơm chuyển ñộng qua van ñến phần bên trái của xy lanh và ñẩy pít tông chuyển ñộng sang phải, ñồng thời phần dầu ở ngăn bên phải pít tông ñược chảy qua van trở về thùng. Hành trình trả về ñược thực hiện khi van phân phối ở vị trí ñối diện (hình 1.2c). Tại vị trí trung gian của van phân phối cả hai ñường dầu ñến xy lanh ñều bị chặn lại và dòng dầu từ bơm có thể chảy gần như không có áp suất về thùng. ðể ñảm bảo an toàn cho thiết bị thuỷ lực hoặc hạn chế áp suất cực ñại người ta sử dụng các van giới hạn áp suất (hình 1.2b,c). Khi áp suất dầu tạo ra áp lực lớn hơn lực lò xo, Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….4 van sẽ mở ra và dòng dầu từ bơm sẽ chảy qua van về thùng mang theo cả phần nhiệt lượng sinh ra khi ñó trong hệ thống. Sơ ñồ truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực cũng có thể ñược sử dụng tương tự. Sơ ñồ hoạt ñộng và sơ ñồ mạch thuỷ lực ñối với ñộng cơ thuỷ lực không thay ñổi thể tích làm việc ñược trình bày trên hình 1.3. ðộng cơ có thể quay hai chiều nhờ chuyển mạch van phân phối. Van giới hạn áp suất ñược bố trí ñể giới hạn mô men quay khi quá tải. 1 2 3 Hình 1.3. Truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực 1- Van giới hạn áp suất; 2- Van phân phối 4/3; 3- ðộng cơ thuỷ lực. Trong nhiều trường hợp sử dụng cần tìm những giải pháp thích hợp cho các hệ thống truyền lực. Khi ñó cần biết ưu ñiểm, nhược ñiểm của mỗi loại truyền lực. Các tính chất ưu việt của truyền ñộng thuỷ lực ñược tóm tắt như sau: Kết cấu ñơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn; Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý ñến vị trí của liên hợp cơ học; • Truyền lực lớn khi thể tích kết cấu tương ñối nhỏ do có trọng lượng trên ñơn vị công suất của bơm và ñộng cơ nhỏ (trọng lượng công suất của ñộng cơ thuỷ lực so với ñộng cơ ñiện là 1/10); • Tính chất ñộng lực học khá tốt (tăng tốc, giảm tốc) do mô men quán tính của ñộng cơ thuỷ lực nhỏ (tỷ lệ mô men quán tính so với ñộng cơ ñiện cùng mô men quay là 1/50); • Chuyển ñổi ñơn giản chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng dao ñộng và ngược lại; • ðảo chiều ñơn giản; • Thay ñổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng (ñặc biệt có lợi cho các máy tự hành); • Bảo vệ quá tải ñơn giản nhờ van giới hạn áp suất; • Giám sát ñơn giản nhờ áp kế; • Có khả năng tự ñộng hoá chuyển ñộng dễ dàng. Bên cạnh ñó, các nhược ñiểm làm hạn chế khả năng sử dụng truyền ñộng thuỷ lực là: • Hiệu suất thấp so với truyền ñộng cơ học, do ma sát của chất lỏng trong ñường ống và các phần tử, do hao tổn lọt dòng trong các khe hở lắp ghép; • Không thể (hay khó) ñồng bộ quá trình chuyển ñộng do hiện tượng trượt giữa phần chủ ñộng và phần thụ ñộng, do hao tổn lọt dòng và tính chịu nén của dầu; • Chi phí chế tạo cao do yêu cầu ñộ chính xác cao của các phần tử trong hệ thống thuỷ lực. • • Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….5 1.2. Chất lỏng thuỷ lực Chất lỏng thuỷ lực là môi chất mang năng lượng trong hệ thống thuỷ lực. Kiến thức về loại chất lỏng, về tính chất và về tính chất hoạt ñộng có ý nghĩa rât lớn ñối với việc thiết kế và vận hành các thiết bị thuỷ lực. 1.2.1. Nhiệm vụ và yêu cầu Nhiệm vụ của chất lỏng thuỷ lực là truyền lực và lưu thông dưới dạng một dòng chất lỏng có áp suất từ bơm thuỷ lực ñến ñộng cơ và xy lanh thuỷ lực. Ngoài ra chất lỏng thuỷ lực còn ñảm nhận việc bôi trơn, chống rỉ và làm mát các chi tiết của hệ thống. Yêu cầu về chất lỏng thuỷ lực xuất phát từ nhiệm vụ của chúng. Tuy nhiên giữa các thiết bị khác nhau có các dạng yêu cầu khác nhau, ñôi khi còn mâu thuẫn với nhau. Có thể tham khảo các yêu cầu quan trọng nhất dưới ñây: • Tính chất nhiệt ñộ - ñộ nhớt hợp lý, ñộ nhớt cần thay ñổi ít nhất trong khoảng nhiệt ñộ rộng ; • Tính chất chống mòn và bôi trơn tốt, cần lưu ý là luôn xuất hiện chế ñộ ma sát hỗn hợp nhất là ñối với các máy thuỷ lực pít tông; • Tính chống rỉ tốt, thích ứng với các phớt làm kín, các phần tử cao su, vật liệu nhân tạo và hợp kim ; • ðộ bền lão hoá tốt kể cả trong các ñiều kiện làm việc nặng nề ; • Khả năng tách bọt khí tốt. 1.2.2. Phân loại chất lỏng thuỷ lực a) Các loại Trong truyền ñộng thuỷ tĩnh người ta sử dụng chủ yếu các loại chất lỏng thuỷ lực sau: - Chất lỏng thuỷ lực từ dầu mỏ (dầu khoáng); - Chất lỏng thuỷ lực khó cháy. Dầu khoáng là chất lỏng thuỷ lực ñược sử dụng phổ biến nhất, ñây là loại dầu chuyên dùng cho các thiết bị thuỷ lực có pha thêm một số chất phụ gia. Các chất phụ gia dùng ñể cải thiện các tính chất của dầu thuỷ lực, thí dụ tính chất nhớt – nhiệt ñộ, tính chất bôi trơn – chống mòn, tính chất chống rỉ hoặc ñộ bền lão hoá. Chất lỏng thuỷ lực khó cháy có nhiệt ñộ bắt cháy cao hơn hẳn dầu khoáng, thường ñược sử dụng trên các thiết bị có nguy cơ cháy nổ. Có hai loại chất lỏng thuỷ lực khó cháy là chất lỏng chứa nước có nguồn gốc dầu mỏ và chất lỏng không chứa nước trên cơ sở vật liệu tổng hợp. Ngoài ra trên các thiết bị tự hành còn sử dụng dầu ñộng cơ và dầu truyền lực làm chất lỏng thuỷ lực. Dầu này ñược sử dụng trong một mạch dầu chung vừa ñể bôi trơn ñộng cơ và hộp số, vừa ñể thực hiện cả nhiệm vụ truyền lực trong hệ thống thuỷ lực. ðôi khi trên các thiết bị di ñộng và có nhiệt ñộ làm việc thấp người ta còn sử dụng dầu truyền lực tự ñộng (ATF) làm chất lỏng thuỷ lực, ví dụ trong bộ phận lái tuỳ ñộng của PKW. b) Cơ sở phân loại Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….6 Dầu khoáng ñược phân loại theo ñộ nhớt (Viscosity Grad: VG). Cơ sở phân loại theo ñộ nhớt là dựa trên ñộ nhớt ñộng học trung bình tại nhiệt ñộ chuẩn 400C (bảng 1.1). ðể thiết bị thuỷ lực hoạt ñộng tốt cần giữ một giới hạn ñộ nhớt xác ñịnh, giới hạn ñó ñược các nhà sản xuất dầu thuỷ lực quy ñịnh. Dưới ñây là một số giá trị kinh nghiệm có thể tham khảo: 50 … 1000 mm2/s (cSt); νmax (khởi hành lạnh) νhñ (hoạt ñộng lâu dài) 15 ... 80 mm2/s (cSt); νmin (hoạt ñộng ngắn hạn) 10 mm2/s (cSt). Bảng 1.1 Phân loại ñộ nhớt ISO ñối với dầu thuỷ lực theo DIN E51524 Loại ñộ nhớt ðộ nhớt ñộng học trung bình ở 400C (mm2/s - cSt) ISOVG 10 10 ISOVG 22 22 ISOVG 32 32 ISOVG 46 46 ISOVG 68 68 ISOVG 100 100 Chất lỏng thuỷ lực khó cháy ñược phân ra 4 vùng ñộ nhớt theo báo cáo Luxemburg lần thứ 5 (bảng 1.2). Bảng 1.2. Phân loại ñộ nhớt chất lỏng thuỷ lực khó cháy Vùng ñộ nhớt ðộ nhớt ñộng học ở 500C (mm2/s - cSt) HFA - 1 1 ñến 1,5 HFA – 2 11 ñến 14 HFA – 4 20 ñến 40 HFA - 8 50 ñến 70 Dầu ñộng cơ và dầu truyền lực ñược phân loại theo SAE. Bảng 1.3 trình bày các giá trị số liệu quan trọng nhất của các chất lỏng thuỷ lực thông dụng trên các thiết bị thuỷ lực tự hành. Bảng 1.3. Tổng hợp các số liệu quan trọng nhất của chất lỏng thuỷ lực Tính chất vật liệu Ký hiệu ðơn vị Dầu khoáng ðộ nhớt ñộng học ở 400C ν mm2/s 10 - 100 Khối lượng riêng ở 150C ρ g/cm3 0,85 – 0,91 Hệ số giãn nở nhiệt γ 1/K ≈ 0,65.10-4 ðộ nén k 1/bar ≈ 7.10-5 Mô ñun nén K bar ≈ 1,4.104 Hệ số hoà tan Bunsen α 1 ≈ 0,09 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….7 Nhiệt dung riêng C kJ/(kg.0K) 1,83 – 1,91 Hệ số dẫn nhiệt ở 200C λ W/(m.0K) 0,11 – 0,14 Nhiệt ñộ bốc cháy tF 0 C 125 – 205 tZ 0 C 310 – 360 tmax 0 C 90 Nhiệt ñộ tự cháy Nhiệt ñộ hoạt ñộng cực ñại Do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lực và chất lỏng thuỷ lực, do sự cần thiết làm thích ứng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế với nhau nên việc tiêu chuẩn hoá luôn nằm trong trạng thái vận ñộng. Các trích dẫn trong tài liệu này chỉ ñưa ra một số các tiêu chuẩn quan trọng nhất ñể tham khảo. 1.2.3. Các tính chất vật lý a) Tính chất nhớt ðộ nhớt là một thông số ñặc trưng ñặc biệt quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lực. ðộ nhớt cung cấp thông tin về ma sát trong của chất lỏng thuỷ lực và cùng với khối lượng riêng của chất lỏng cung cấp thông tin về tính chất cản trên dòng chảy (thí dụ trên ñường ống), và quan trọng hơn cả là cung cấp thông tin về khả năng tải của chất lỏng, có nghĩa là về khả năng chịu tải của các phần tử máy, các trục trên ổ trượt hoặc pít tông và xy lanh. ðể dễ dàng làm sáng tỏ khái niệm ñộ nhớt có thể sử dụng một thí dụ quen thuộc dưới ñây (hình 1.4): Hai tấm phẳng song song chuyển ñộng tương ñối với nhau với một vận tốc nhỏ có môi trường ngăn cách là chất lỏng. Tấm phẳng dưới không chuyển ñộng còn tấm phẳng trên chuyển ñộng sang phải với vận tốc vxp. Trong khoảng cách giữa hai tấm có sự phân bố vận tốc chất lỏng theo tỷ lệ: h vxp y vx(y) x Vx ( y) Vxp = y h vx= 0 Hình 1.4. Phân bố vận tốc chất lỏng giữa hai tấm phẳng song song Từ ñó xuất hiện sức cản ma sát trên một ñơn vị diện tích hay còn gọi là ứng suất trượt ma sát: τ = −η dVx dy ðây là ñịnh luật Niu tơn quen thuộc về ma sát, trong ñó hệ số tỷ lệ η ñược gọi là ñộ nhớt ñộng lực học. ðối với kỹ thuật thuỷ lực ñộ nhớt ñộng học ν thường có khả năng biểu hiện cao hơn vì nó mô tả tính chất dòng chảy của chất lỏng dưới ảnh hưởng của quán tính khối lượng và lực trọng trường. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….8 ν= η ρ (1.2) Các hệ ñơn vị dưới ñây ñược sử dụng cho ñộ nhớt: + ðộ nhớt ñộng lực học η: 1 Ns/m2 = 1 Pa.s = 103 mPa.s hoặc 1 P (Poise) = 100 cP = 10-1 Ns/m2; + ðộ nhớt ñộng học ν: 1 m2/s = 106 mm2/s hoặc 1 St (Stoke) = 100 cSt = 100 mm2/s. Cả hai loại ñộ nhớt phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt ñộ và áp suất. Tính chất nhiệt ñộ - ñộ nhớt Nhiệt ñộ càng tăng ñộ nhớt của chất lỏng càng giảm. Chất lỏng thuỷ lực bị loãng ñi thì sức cản ma sát giảm, tuy nhiên khả năng tải của chất lỏng cũng giảm. Tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ cho trường hợp dầu khoáng ở áp suất khí quyển có thể ñược biểu diễn bằng công thức thực nghiệm: b η(ϑ) = ke c+ ϑ hoặc theo dạng: ln η(ϑ) = b + ln k c+ν (1.3) Hệ số k ñược tính bằng Ns/m2, các hệ số b, c ñược tính bằng 0C. Sự phụ thuộc mạnh của ñộ nhớt ñộng học vào nhiệt ñộ ñược thể hiện rõ hơn trên ñồ thị hình 1.5. ðặc biệt thấy rõ rằng, sự thay ñổi nhiệt ñộ ở vùng nhiệt ñộ thấp làm thay ñổi ñộ nhớt mạnh hơn ở vùng nhiệt ñộ cao. Thí dụ với dầu khoáng: Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 200C lên 300C, ñộ nhớt giảm từ 134,5 xuống 75,4 mm2/s; Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 600C lên 700C, ñộ nhớt giảm từ 20,7 xuống 14,9 mm2/s. mm2 s 400 300 200 10000 mm2/s 1000 500 200 100 50 ðộ nhớt ñộng học ν ðộ nhớt ñộng học ν 600 ISO VG100 62 46 20 10 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực vàISO khíVG32 nén…..……………….9 100 0 5 22 10 Hình 1.5. Sự thay ñổi ñộ nhớt ν theo nhiệt ñộ (HL 46, VI 100, p0 = 1 bar) Hình 1.6. Biểu ñồ Ubbelohde ñể xác ñịnh tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ (ISO VG 10./.100, VI 100, p0 = 1 bar) Trong thực tế các nhà thiết kế không tính toán tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ theo công thức (1.3) mà tra theo một biểu ñồ ñơn giản do các hãng sản xuất dầu khoáng cung cấp, biểu ñồ Ubbelohde (hình 1.6). ðể mô tả tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ, ñặc biệt ñể so sánh các loại dầu với nhau người ta thường sử dụng một thông số ñặc trưng nữa gọi là chỉ số ñộ nhớt VI. VI càng tăng ñường cong ñộ nhớt – nhiệt ñộ càng thẳng hơn, có nghĩa là ñộ nhớt thay ñổi càng ít theo nhiệt ñộ. VI của các dầu khoáng thông thường có giá trị ≈ 100, nếu bổ sung chất phụ gia có thể làm tăng giá trị VI. Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt η ( P ) = η o e α ( p − po ) (1.4) Trong ñó: η0 là ñộ nhớt ñộng lực học tại áp suất p0; α (1/bar) là hệ số áp suất – ñộ nhớt, α phụ thuộc vào cấu trúc dầu, ñộ nhớt và nhiệt ñộ, với dầu khoáng α nằm trong khoảng (1,3 - 2,4).10-3 (1/bar). Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt có thể tra cứu từ biểu ñồ (hình 1.7). Từ biểu ñồ nhận thấy rằng, ảnh hưởng của áp suất ñến ñộ nhớt ñộng học không mạnh mẽ như ñối với nhiệt ñộ. Khi nhiệt ñộ ở khoảng 300C, áp suất tăng từ 1 ñến 300 bar, ñộ nhớt cũng chỉ tăng khoảng 2 lần. ở nhiệt ñộ cao áp suất có ảnh hưởng ñến ñộ nhớt nhỏ hơn ở nhiệt ñộ thấp. 10000 mm2/s 1000 500 200 100 ðộ nhớt ñộng học ν Áp suất tăng sẽ làm tăng ñộ nhớt của chất lỏng thuỷ lực. Chất lỏng trở nên ñặc hơn sẽ làm tăng sức cản ma sát, tuy nhiên cũng làm tăng khả năng tải. Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt cũng có thể ñược xác ñịnh từ công thức thực nghiệm: p=601 bar 401bar 50 30 20 10 p =201 bar 1bar 5 0 0 20 40 60 80 0C 120 Nhiệt ñộ ϑ Hình 1.7. Biểu ñồ xác ñịnh tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt (HL 46, VI 100) 0,94 0 0 C 0,90 40 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng 0,88thuỷ lực và khí nén…..……………….10 60 80 100 0,86 ợng riêng ρ g/cm3 b) Tính chất khối lượng riêng Khối lượng riêng của chất lỏng là tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích của nó: ρ= m V (1.5) Khối lượng riêng là một thông số ñặc trưng ñể tính toán sức cản dòng chảy có nghĩa là hao tổn dòng chảy và cũng là thông số ñể tính toán hao tổn va ñập trong ñường ống và các phần tử cấu trúc. Khối lượng riêng cũng phụ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất. Sự phụ thuộc vào nhiệt ñộ và áp suất của khối lượng riêng có thể ñược tra cứu rất thuận lợi từ ñồ thị. Hình 1.8 là một thí dụ biểu diễn sự tăng khối lượng riêng khi tăng áp suất và giảm khi tăng nhiệt ñộ. Nhiệt ñộ và áp suất ảnh hưởng ñến khối lượng riêng với mức ñộ không giống như ñối với ñộ nhớt. ảnh hưởng của nhiệt ñộ và áp suất ñến khối lượng riêng cũng có thể ñược biểu diễn theo các công thức thực nghiệm. Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng có thể ñược mô tả theo công thức: ρ(ϑ) = ρ0 1 + γ (ϑ − ϑ 0 ) (1.6) Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và ϑ0 (0C) là khối lượng riêng và nhiệt ñộ trong ñiều kiện dẫn xuất, γ (1/K) là hệ số giãn nở nhiệt của dầu. Nếu lấy nhiệt ñộ dẫn xuất là 150C thì công thức (1.5) trở thành: ρ(ϑ) = ρ150 C 1 + γ (ϑ − 15) Hệ số giãn nở nhiệt γ mô tả tính chất giãn nở của dầu tại áp suất không ñổi. γ= 1 V0  δV     δϑ  p Khi áp suất tăng thì hệ số giãn nở nhiệt γ sẽ giảm. Nếu giả thiết rằng, ñối với dầu khoáng tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng là tuyến tính ở trong vùng nhiệt ñộ hoạt ñộng (ñiều này là cho phép trong thực tế), thì hệ số giãn nở nhiệt có thể ñược xác ñịnh theo công thức: γ= ∆V V0 (ϑ − ϑ 0 ) Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….11 Từ các biểu thức trên có thể xác ñịnh ñược các mối quan hệ giữa lượng biến ñổi thể tích và khối lượng riêng của một chất lỏng thuỷ lực theo sự biến ñổi của nhiệt ñộ,: ∆ V = V ( ϑ ) − V0 = γ V0 ( ϑ − ϑ 0 ) ∆ ρ = ρ ( ϑ ) − ρ 0 = − γρ ( ϑ )( ϑ − ϑ 0 ) Giá trị γ ở áp suất khí quyển có thể lấy tương ứng theo các loại dầu như sau: dầu khoáng: 0,65.10-3 K-1 dầu HFC; 0,70.10-3 K-1 dầu HFD; 0,75.10-3 K-1 Thí dụ dưới ñây làm rõ thêm sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ: Dưới áp suất khí quyển, tăng nhiệt ñộ từ 15 ñến 650C (tăng 500C) thì khối lượng riêng giảm từ 0,877 xuống 0,847 g/cm3, có nghĩa là giảm xấp xỉ 3,4%. Từ ñó cho thấy, gia tăng nhiệt ñộ lên 100C sẽ làm thay ñổi thể tích dầu khoảng 0,7%. Tính chất áp suất – khối lượng riêng Tính chất áp suất – khối lượng riêng của chất lỏng thuỷ lực có ý nghĩa trong việc ñánh giá tính chất ñộng lực học của một thiết bị thuỷ lực. Công thức dưới ñây mô tả tính chất áp suất – khối lượng riêng: ρ0 (1.7) 1 − k (p − p 0 ) Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và p0 là các giá trị khối lượng riêng và áp suất ở ñiều kiện chuẩn; k (1/bar) là hệ số nén, mô tả tính chất nén khi nhiệt ñộ không ñổi: ρ( p ) = 1 δV ( )ϑ V0 δp Thông số tỷ lệ nghịch với k là mô ñun nén K = 1/k. Từ hình 1.8 cho thấy có thể tính toán quan hệ áp suất – khối lượng riêng theo quan hệ tuyến tính. Do vậy hệ số nén ñược xác ñịnh theo: k=− − ∆V V0 (p − p 0 ) Như vậy, với các loại chất lỏng thuỷ lực sự thay ñổi thể tích cũng như khối lượng riêng phụ thuộc vào áp suất ñược xác ñịnh theo biểu thức: k= ∆V = V(p) − V0 = −kV0 (p − p 0 ) Hệ số nén và mô ñun nén ñối với các loại dầu thuỷ lực ñược lấy như sau: Dầu khoáng k = 0,7.10-4 1/bar); K = 1,4.104 bar; Dầu HFC Dầ u k = 0,3.10-4 1/bar; K = 3,3.104 bar; HFD k = 0,35.10-4 bar; K = 2,85.104 bar. Tính chất nén của dầu thuỷ lực cần ñược ñặc biệt chú ý khi áp suất của hệ thống lớn hơn 150 bar. Thí dụ dưới ñây làm sáng tỏ thêm ñiều ñó: Nếu tăng áp suất từ 1 ñến 301 bar (tăng thêm 300 bar) tại nhiệt ñộ 150C thì khối lượng riêng tăng từ 0,877 ñến 0,982 g/cm3, có nghĩa là tăng 2,1%. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….12 Tương ứng thấy rằng, khi tăng áp suất thêm 100 bar thì thể tích dầu giảm ñi khoảng 0,7%. c) Khả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ lực Không khí có thể ñược hàm chứa trong dầu thuỷ lực ở hai dạng: - Không khí hoà tan; - Không khí không hoà tan, có nghĩa là ở dạng bọt khí. Khi còn ở dạng hoà tan trong dầu, không khí không ảnh hưởng ñến tính chất của dầu thuỷ lực, có nghĩa là không làm thay ñổi ñến tính chịu nén của dầu. Trong trạng thái bão hoà, dầu khoáng có thể hoà tan khoảng 9% thể tích không khí, có nghĩa là trong một lít dầu có thể hoà tan ñược 90 cm3 không khí. Khả năng tiếp nhận không khí của dầu tăng khi áp suất tăng, trong khi sự thay ñổi của nhiệt ñộ lại hầu như không ảnh hưởng ñến khả năng này. Khả năng tiếp nhận cực ñại ở dạng hoà tan của thể tích không khí có thể ñược tính theo ñịnh luật Henry: Vkk = Vd α p p0 (1.8) Trong ñó: Vol là thể tích dầu tại áp suất khí quyển; α - hệ số hoà tan Bunsen, có thể lấy giá trị 0,09 ñối với dầu khoáng; p - áp suất tuyệt ñối. Bọt khí sẽ xuất hiện trong dầu khi khả năng tiếp nhận không khí của dầu ở dạng hoà tan ñã vượt quá mức giới hạn. ðồng thời không khí ở dạng hoà tan cũng có thể chuyển thành bọt khí ở những nơi có áp suất vượt qua giá trị áp suất bão hoà, thí dụ trên ñường ống nạp, tại các chỗ cong gấp, ñằng sau vị trí tiết lưu,… Bọt khí cũng có thể xâm nhập khi nạp khí, do lọt khí tại các chỗ nứt trên ñường dầu về thùng. Bọt khí làm cho dầu bị “mềm” ñi, làm giảm mô ñun nén K. Khi tăng áp suất có thể gây va ñập sau bơm, gây chuyển ñộng ngược, làm cho tần số quay thay ñổi theo dạng bậc, gây ồn, gãy hoặc mài mòn (xâm thực). Chính vì vậy cần phải thiết kế bộ phận tách bọt, mà trước hết là tách bọt trong thùng dầu. 1.3. Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh 1.3.1. Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng lý tưởng. ðây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi ñược nạp vào thùng chỉ truyền áp lực vuông góc với thành và ñáy thùng (hình 1.9). ðộ lớn của áp suất phụ thuộc vào cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ ñiểm ño ñến mặt thoáng của chất lỏng: (1.9) p = ρgh Với chất lỏng lý tưởng, không xuất hiện lực tiếp tuyến cũng như các ứng suất tiếp tại thành thùng và giữa các lớp chất lỏng. F h A p p p Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….13 Hình 1.10. Lực tác ñộng lên pít tông của một xy lanh thuỷ lực Hình 1.9. Phân bố áp suất trong thùng chứa chất lỏng lý tưởng Khi tính toán các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác ñộng ngoài. Áp suất tạo ra từ lực ngoài (hình 1.10) ñược xác ñịnh theo biểu thức: p= F A (1.10) Áp suất này có thể ñược tạo ra từ chuyển ñộng gián ñoạn của thiết bị ví dụ như pít tông trong xy lanh hoặc chuyển ñộng liên tục như trong bơm bánh răng, bơm cánh quay,… 1.3.2. Chuyển ñổi năng lượng nhờ pít tông và xy lanh Áp suất làm việc tạo ra trong thiết bị nâng trên hình 1.11 sẽ là: p= F1 F = 2 A1 A 2 (1.11) Nếu bỏ qua hao tổn lọt dòng, chuyển ñộng cuốn theo pít tông thì sẽ làm dịch chuyển các thể tích như nhau: V1 = V2 = A1s1 = A 2 s 2 (1.12) F2 Từ ñó có: s1 A 2 A = , F2 = 2 F1 s 2 A1 A1 và v1 A 2 = v 2 A1 (1.13) và công suất: P = Fv S1 (1.14) Công dịch chuyển của chất lỏng khi ñó sẽ là: W = F1s 1 = F2 s 2 S2 A2 F1 A1 (1.15) (1.16) Hình 1.11. Sơ ñồ thiết bị nâng thuỷ lực Q nên A P = pQ Trong ñó Q là lưu lượng dòng chất lỏng. Do F = Ap và v = (1.17) 1.3.3. Chuyển ñổi năng lượng trong thiết bị thuỷ lực chuyển ñộng quay Trên hình 1.12 trình bày sơ ñồ một bơm thuỷ lực cánh quay. Trong một vòng quay, cánh quay có diện tích A chuyển ñộng ñược quãng ñường 2πr và cuốn theo một thể tích chất lỏng: Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….14 (1.18) V = 2πrA Thể tích choán chỗ này của bơm và ñộng cơ thuỷ lực còn ñược gọi là thể tích làm việc. Lưu lượng tính theo tần số quay sẽ là: Q = Vn (1.19) Nếu giả thiết rằng, bơm (1) và ñộng cơ (2) của một truyển ñộng thuỷ lực hoạt ñộng không có hao tổn thì lưu lượng bơm Q1 sẽ bằng lưu lượng tiếp nhận của ñộng cơ Q2: 1 M p ϕ 3 A Q1 = Q 2 = V1 n 1 = V2 n 2 2 r n 1 V2 Có nghĩa là: = (1.20) Hình 1.12. Bơm thuỷ lực cánh quay n 2 V1 1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay. Mô men quay sinh ra trong các máy thuỷ lực chuyển ñộng quay (hình 1.12) sẽ là: M = pAr (1.21) trong ñó p là áp suất tạo ra trong bơm theo yêu cầu của tải trọng. V , công thức (1.21) có dạng: Với A = 2πr pV M= (1.22) 2π pQ hoặc: (1.23) M= 2πn Từ ñó, công suất sản ra hoặc công suất tiếp nhận của một máy thuỷ lực chuyển ñộng quay sẽ là: P = Mω = M 2πn (1.24) P = pQ (1.25) ở ñây n ñược tính là số vòng quay trong 1 giây và tương ứng Q là lượng chất lỏng trong 1 giây. 1.4. Cơ sở thuỷ ñộng lực học Cở sở lý thuyết của cơ học chất lỏng cũng như thuỷ ñộng lực học ñược xuất phát từ chất lỏng lý tưởng. Trong ñó các nhà khoa học ñã xây dựng ñược các công thức tính toán quan trọng. ðầu thế kỷ 20 Prandt lần ñầu tiên ñã tổng hợp thuần tuý lý thuyết về thuỷ ñộng lực học với kỹ thuật thuỷ lực ñược các kỹ sư ứng dụng trong sản xuất bằng cách bổ sung thêm lực ma sát sinh ra do tính nhớt của chất lỏng thuỷ lực. Cơ sở ñể tính toán các thiết bị thuỷ lực là các phương trình liên tục, phương trình Bernoulli cho chất lỏng thuỷ lực. Các phương pháp tính toán sức cản dòng chảy, có nghĩa là các phương pháp tính toán hao tổn áp suất trong các ống dẫn có ý nghĩa quan trọng trong thực tế. 1.4.1. Phương trình liên tục Dòng chảy dừng của chất lỏng lý tưởng thoả mãn ñịnh luật bảo toàn khối lượng: Lưu &1 chảy qua mặt cắt A1 luôn bằng với lưu khối m &2 chảy qua mặt cắt A2. ðối với chất khối m lỏng có khối lượng riêng không ñổi ñịnh luật này ñúng cho cả trường hợp chảy không dừng. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….15 Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt ñường ống trong một ñơn vị thời gian ñược xác ñịnh theo: (1.26) & = ρAv m Tương ứng hình 1.13, thoả mãn: v1 (1.27) ρ1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2 (1.28) v2 A2 m2 Q2 m1 Q1 ðối với chất lỏng có khối lượng riêng không ñổi: A 1 v1 = A 2 v 2 A1 Hình 1.13. Dòng chảy qua ống thu hẹp 1.4.2. Phương trình Bernoulli Phương trình Bernoulli xuất phát từ giả thiết rằng năng lượng của một chất lỏng chảy dừng không ma sát trên mọi ñiểm của mặt cắt ngang tại mọi thời ñiểm là không ñổi. Phương trình này thoả mãn trong trường hợp riêng của dòng chảy một chiều, và cũng biểu diễn trường hợp ñặc biệt của hệ phương trình vi phân Navier-Stocke xây dựng cho trường hợp tổng quát cho dòng chảy 3 chiều. Mặc dù vậy cũng có thể ứng dụng ñủ chính xác làm cơ sở tính toán trong lĩnh vực thuỷ lực dầu. Năng lượng tại một ñiểm xác ñịnh trên ñường dòng của một dòng chảy chất lỏng lý tưởng bao gồm ñộng năng dòng chảy, áp năng của chất lỏng và thế năng. Hình 1.14 trình bày sơ ñồ dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau. Phương trình Bernoulli viết cho trường hợp này như sau: p1 + ρ1 v 12 ρ v2 + ρ1gh 1 = p 2 + 2 2 + ρ 2 gh 2 2 2 (1.29) ðối với chất lỏng không chịu nén: ρv 2 ρv 2 p 1 + 1 + ρgh 1 = p 2 + 2 + ρgh 2 2 2 p1; Q1 v2 ρv 2 p+ = const 2 h1 ρv 2 + ρgh = const (1.30) 2 Thế năng vị trí của chất lỏng hầu như trong tất cả các trường hợp ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực thường ñược bỏ qua do có giá trị quá nhỏ so với ñộng năng và áp năng. Như vậy phương trình Bernoulli trong kỹ thuật thuỷ lực có thể viết: p+ h2 v1 hoặc tổng quát: p2; Q2 1 2 Hình 1.14. Dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau (1.31) 1.4.3. Hao tổn áp suất trong ñường ống a) Các khái niệm cơ bản Khác với chất lỏng lý tưởng, chất lỏng thực có tính chịu nén và ma sát, hơn nữa ma sát có ý nghĩa chủ yếu ñể tính toán và ñánh giá các quá trình ñộng lực học với chất lỏng, ñặc biệt Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….16 ñể xác ñịnh sức cản dòng chảy khi chảy qua ñường ống hoặc các phần tử mạch thuỷ lực. Trong chất lỏng thuỷ lực xuất hiện cả ma sát trong giữa các lớp chất lỏng với nhau và cả ma sát giữa chất lỏng với thành ống dẫn. Như vậy ngoài các lực ñã biết còn xuất hiện thêm lực tiếp tuyến và ứng suất tiếp. ứng suất tiếp ñược tạo ra do ma sát giữa các lớp chất lỏng và ñộ bám của chất lỏng với thành ống, từ ñó tạo ra sức cản, có nghĩa là hao tổn áp suất khi chất lỏng chảy qua ống dẫn. Hao tổn áp suất tăng khi tăng ñộ nhớt của chất lỏng và do ñó hao tổn áp suất trong các thiết bị thuỷ lực dầu cao hơn rất nhiều so với các thiết bị sử dụng môi chất có ñộ nhớt nhỏ, thí dụ như nước. Khi tính toán một thiết bị thuỷ lực ñồng bộ cần phải tính ñến cả hao tổn áp suất cục bộ tại các chỗ cong, gãy khúc, nối ống và tại các van,… Prandt ñã xây dựng các công thức xác ñịnh hao tổn áp suất khi chất lỏng thực chảy trong ống dẫn bằng cách lấy quan hệ tỷ lệ thuận giữa áp suất với ñộng năng dòng chảy: dp 1 ρv 2 = −λ R dl d 2 (1.32) Tích phân hai vế phương trình này sẽ ñược công thức hao tổn áp suất dòng chảy không chịu nén, chảy dừng và ñẳng nhiệt: ∆p = p1 − p 2 = λ R l ρv 2 d 2 (1.33) Trong ñó (hình 1.15) ∆p = p1 – p2 là hao tổn áp suất trong ñoạn ống l từ mặt cắt 1 ñến mặt cắt 2; d - ñường kính trong của ống; v - vận tốc dòng chảy ; ρ - khối lượng riêng của chất lỏng. 1 Hệ số tỷ lệ λR là hệ số cản của ñường ống, là một hàm số của số Reynold Re: λ R = f (Re) (1.34) 2 l p1 vd vdρ = (1.35) η ν với ν là ñộ nhớt ñộng học và η là ñộ nhớt ñộng lực học. Re = p2 < p1 ∆p Hình 1.15. Hao tổn áp suất trên ống thẳng Hệ số cản của ñường ống λR 0,06 0,05 d/k=100 0,04 0,03 λR=64/Re 0,020 0,016 0,014 200 1 λR Regh=2320 = 2 log 500 1000 Re λR 2,51 Prand 2000 5000 k=0 λR=0,3164Re-0,25 0,012 Ch. tầng Ch. rối Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….17R Blasius e 0,010 3 4 5 2 3 4 6 8 106 10 2 3 4 6 8 10 2 3 4 6 8 10 Hệ số cản của ñường ống λR Hình 1.16. Biểu ñồ tổng hợp sức cản dòng chảy λR 100 40 20 10 4 2 1 0,4 0,2 0,1 0,04 0,02 0,01 λR=64/Re λR=0,3164.Re-0,25 Re 6 1 2 4 610 2 4 6 10 2 4 6 10 2 4 10 2 4 10 2 4 10 2 3 4 5 Hình 1.17. Biểu ñồ tính toán sức cản dòng chảy thuỷ lực dầu Trong kỹ thuật thuỷ lực dầu cũng phân chia thành hai trường hợp, chảy tầng và chảy rối. Ngoài ra trong cả hai trường hợp cũng quan tâm ñến các quá trình chảy ñẳng nhiệt hay không ñẳng nhiệt. ðối với các trường hợp môi chất có ñộ nhớt nhỏ như nước, không khí có thể tính toán với quá trình chảy ñẳng nhiệt, còn dầu thuỷ lực có ñộ nhớt rất cao nên chỉ có thể tính toán với quá trình không ñẳng nhiệt. Tuy nhiên có thể tính toán gần ñúng với quá trình ñoạn nhiệt. Sự phụ thuộc của hệ số cản λR vào số Reynold ñã ñược Prandt và cộng sự và các nhà khoa học khác nghiên cứu ñầy ñủ. Các kết quả nghiên cứu ñược tổng hợp trên hình 1.16. Do hai nguyên nhân dưới ñây mà việc sử dụng biểu ñồ này cho kỹ thuật thuỷ lực dầu sẽ gặp khó khăn. Thứ nhất ở ñây không tính ñến tình trạng không ñẳng nhiệt nên không ñưa ra các số liệu hiệu chỉnh hao tổn áp suất vốn dĩ là quá lớn. Thứ hai, cần quan tâm cả ñến vùng có số Reynold nhỏ nhưng ở ñây lại xuất phát từ Re=103. ðể tính toán trong lĩnh vực thuỷ lực dầu nên sử dụng biểu ñồ hình 1.17. b) Dòng chảy tầng Dòng chảy ñẳng nhiệt Khi chảy tầng, ñẳng nhiệt xuất hiện profil dòng chảy dạng Parabol (hình 1.18). Vận tốc dòng chảy trung bình theo mặt cắt ngang có thể tính theo vận tốc cực ñại: v = 0,5 vmax (1.36) Trong vùng chảy tầng có thể xây dựng bằng giải tích một công thức hao tổn áp suất trong ñường ống mà không cần sự trợ giúp của nghiên cứu thực nghiệm. Tách một phân tố chất lỏng πy2l, trên diện tích ñáy của phân tố hình trụ này tác dụng một áp lực πy2p1 và πy2p2. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….18