Bài giảng Truyền động thuỷ lực và khí nén - Đại học Thuỷ lợi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY Lực Bộ MÔN MÁY XÂY DỰNG BÀI GIẢNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY Lực VÀ KHÍ NÉN NÀM2018 0 LỜI NÓI ĐÀU Môn “Truyền động thủy lực và khỉ nén ” là một trong những môn học quan trọng của chương trìn[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY Lực

Bộ MÔN MÁY XÂY DỰNG

NÀM2018

LỜI NÓI ĐÀU

Môn “Truyền động thủy lực và khỉ nén ” là một trong những môn học quan trọng của chương trình đào tạo học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ khí Bài giảng này được biên soạn nhăm đáp ứng nhu câu của học viên cao học khoa Cơ khí Trường đại học Thủy Lợi vê sách tài liệu chuyên ngành.

Bài giảng “Truyền động thủy lực và khỉ nén ” gồm 05 chương có nội dung đề cập đến các khải niệm cơ bản của truyền động thủy khỉ; cấu thành của một hệ thống truyền động thủy khí; tông họp và phân tích hệ thống truyền động thủy khí; các hệ thống điều khiên cơ bản và nâng cao trong truyền động thủy khỉ; và hệ thống điều khiến servo.

Bài giảng “ Truyền động thủy lực và khỉ nẻn ” sẽ phục vụ tốt cho việc học tập, giảng dạy và nghiên cứu của học viên và giảng viên khoa Cơ khỉ nói riêng và sinh viên Trường Đại học Thủy Lợi nói chung.

Nhóm tác giả biên soạn xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp và các cản bộ giảng dạy Bộ môn Mảy xây dựng, khoa Cơ khí, trường Đại học Thủy Lợi, đã đọc và góp ỷ cho tài liệu này.

Nhóm tảc giả xỉn chân thành cảm ơn các độc giả, các bạn đồng nghiệp tiếp tục góp ý kiến đế tài liệu ngày càng hoàn chỉnh hơn, đáp ứng yêu cầu học tập và nghiên cứu của bạn đọc.

Nhóm biên soạn: TS Nguyễn Anh Tuấn

GVC Nguyễn Hữu Tuấn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHƯNG

1.1.4 Các phần tử của một hệ thống truyền động thủy khí 13

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ

2.3.1 Các đậc tính làm việc của xy lanh thủy lực 56

2.7.1 Đồng bộ bằng 2 Bơm thủy lực đồng trục có cùng động cơ: 79

CHƯƠNG 3 TÔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ

3.2.5 Hệ thống chuyển động qua lại tự động của xy lanh 88

3.2.6 Sử dụng van một chiều có điều khiển để khóa xy lanh 89

3.2.9 Hệ thống hãm động cơ thủy lực 92

3.2.12 Điều khiến xy lanh tác động hai chiều bằng van phân phối đóng mở bàng khí nén 94

3.2.13 Hệ thống điều khiển chu kỳ hoạt động của xy lanh theo thời gian 95

3.2.15 Hệ thống điều khiển bằng hai tay để đảm bảo an toàn 96

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ

4.3.1 Điều khiến xylanh sử dụng công tắc hành trình đơn 1044.3.2 Chuyển động qua lại của xylanh sử dụng công tắc áp suất hoặc công tắc hành trình 105

4.3.6 Bộ đếm, bộ đếm thời gian và sự chuyển động qua lại của xy lanh thủy lực 111

CHƯƠNG 5 HỆ THÔNG ĐIỀU KHIÊN SERVO

CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 MỞ ĐÀU

1.1.1 Kỹ thuật truyền động thủy khí

Kỳ thuật truyền động thủy khí là lĩnh vực công nghệ liên quan đến việc tạo ra, điều khiên, và truyền năng lượng bằng chất lỏng và chất khí có áp suất cao Người ta nói rằng kỹ thuật truyền động thủy khí chính là sức mạnh làm chuyến động ngành công nghiệp Sở dĩ nói như vậy là bởi vì kỹ thuật truyền động thủy khí được ứng dụng đế tạo ra lực đẩy, kéo, điều khiên hoặc dẫn động hầu như tất cả các loại máy của công nghiệp hiện đại Ví dụ, hệ thống lái

và phanh ô tồ, phóng tàu vũ trụ, di chuyển đất, thu hoạch mùa màng, khai thác than, dẫn động các máy công cụ, điều khiến máy bay, chế biến thức ăn, thậm chí cả hàn răng trong y tế Trong thực tế hầu như không thể tìm thấy một sản phẩm chế tạo máy nào mà không liên quan đến kỹ thuật truyền động thủy khí bằng cách nào đó ở một giai đoạn nào đó trong quá trình sản suất hoặc phân phối

Hình 1-1 Cưa xích dẫn động bằng thủy lực

Kỹ thuật truyền động thủy khí được gọi là kỹ thuật thủy lực khi môi chất công tác là chất lỏng và được gọi là kỹ thuật khí nén khi môi công tác là chất khí Vì vậy kỹ thuật truyền động thủy khí là thuật ngữ chung dùng cho cả thủy lực và khí nén Các hệ thống thủy lực dùng chất lỏng như dầu mỏ, dầu tống hợp, và nước Chất lỏng thủy lực đầu tiên được dùng là nước

vì nó đã có sẵn Tuy nhiên, nước có nhiều nhược điếm Nó dễ đông đặc khi lạnh, bồi tron kém,

và có xu hướng làm gỉ các bộ phận bằng kim loại Dầu thủy lực tốt hơn nhiều và do đó được sử dụng rộng rãi thay cho nước Các hệ thống khí nén sử dụng không khí như là môi chất vì không khí rất dồi dào và dễ xả vào khí quyển sau khi làm việc

Có hai loại các hệ thống thủy khí: đó là hệ thống vận tải và hệ thống truyền động thủy

khí.

Các hệ thống vận tải thủy khí chỉ có nhiệm vụ vận chuyến chất long và chất khí từ nơi này đến nơi khác để thực hiện mục tiêu nào đó Ví dụ như các trạm bơm cấp nước ăn, các đường ống vận chuyển khí đốt tới cho các hộ gia đình và các hệ thống xử lý hóa học trong đó các thành phần hóa học được dẫn đến từ các địa điểm khác nhau để tác động với nhau.

Các hệ thống truyền động thủy khí được thiết kế đặc biệt đế thực hiện công Công được thực hiện bởi chất lỏng cao áp tác dụng trực tiếp lên xy lanh hoặc mô tơ thủy khí Xy lanh thủy khí sinh ra một lực dẫn đến sự chuyển động thẳng tịnh tiến, ngược lại một mô tơ thủy khí sinh

ra một mô men xoắn dẫn đến chuyên động quay Vì vậy, trong một hệ thống truyền động thủy khí, các xy lanh và mô tơ (gọi là các cơ cấu chấp hành) tạo ra lực đê thực hiện một công mong muốn Tất nhiên, cũng còn cần phải có thêm các phần tử điều khiển khác như các van để đảm bảo rằng công được thực hiện dễ dàng, chính xác, hiệu quả và an toàn

Các chất lỏng là một môi chất rất cứng vững đế truyền công suất và vì thế có thế hoạt động dưới áp suất cao đế sinh ra các lực và mô men xoắn rất lớn và dẫn động các tải với độ chính xác rất cao Hình 1-1 mô tả một cái cưa xích dẫn động bằng thủy lực rất lý tưởng để cắt tỉa cây lớn từ bệ đứng trên cao cũng như các công việc cắt bỏ khác Các cưa xích này thườngđược các công nhân điện làm việc dọc theo đường tải điện sử dụng vì chúng nhẹ, tin cậy,không ồn và an toàn hơn các cưa dùng nguồn năng lượng xăng dầu Cưa xích dùng động cơthủy lực bánh răng có tổng trọng lượng 6,71b Nó hoạt động với lưu lượng từ 4 đến 8gpm và áp

Hình 1-2 Bàn tay kỹ xảo được điều khiển bằng khí nén

Ngược lại, các hệ thống khí nén có các đậc tính dao động do tính nén được của chất khí Tuy nhiên, chế tạo và vận hành các hệ thống khí nén rẻ hơn Hơn nữa, có nhiều phương pháp

đế điều khiến sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành khí nén dẫn động tải Vì vậy các hệ thống khí nén dùng có hiệu quả ở nơi cần áp suất thấp do dẫn động tải không yêu cầu lực lớn

Hình 1 -2 mô tả bàn tay khéo léo được điều khiến bằng khí nén Bàn tay được thiết kế

đế nghiên cứu sự khéo léo của tay máy và thao tác của con người trong các ứng dụng như người máy và khả năng xúc giác Các cơ cấu chấp hành khí nén tạo cho bàn tay khả năng cầm nắm và thao tác như bàn tay người Các đặc tính hoạt động chủ yếu bao gồm tốc độ cao trong việc thực

hiện các động tác, sức mạnh để dễ dàng cầm các vật có kích thước lớn có tỷ trọng và lực điều khiên cầm nắm khác nhau Bàn tay có ba ngón và một ngón cái đối diện Mỗi khớp được bố trí hai cơ cấu chấp hành khí nén (được đặt ở trong một hộp) dẫn động qua các dây kéo có độ bền cao.

1.1.2 Ưu điểm của kỹ thuật thủy khí

Có ba phương pháp cơ bản để truyền năng lượng: điện, cơ khí, và thủy khí Hầu hết các ứng dụng sử dụng kết hợp cả ba phương pháp đế có được hệ thống có hiệu suất cao nhất Đe xác định xem dùng phương pháp nào thích hợp cần phải biết các đặc trưng nối bật của mỗi loại

Ví dụ: hệ thống thủy khí có thể truyền công suất một cách kinh tế ở khoảng cách lớn hon loại truyền động cơ khí, nhưng lại ngắn hơn nhiều so với các hệ thống truyền động điện

Bí quyết về thành công và ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật truyền động thủy khí là tính linh hoạt và dễ điều khiển của nó Hệ thống truyền động thủy khí không bị cản trở bởi hình dạng hình học của máy móc như các hệ thống cơ khí Năng lượng cũng có thế được truyền ở

độ lớn bất kỳ vì các hệ thống thủy khí không bị giới hạn bởi các hạn chế vật lý của vật liệu như các hệ thống điện Ví dụ: đặc tính của nam châm điện bị hạn chế bởi giới hạn bão hòa từ thông của thép Công suất truyền của hệ thống thủy khí chỉ bị hạn chế bởi độ bền cơ học của vật liệu (như thép) dùng cho mỗi phần tử

Công nghiệp đang phụ thuộc ngày càng nhiều vào vào kỹ thuật tự động hóa để tăng năng suất Điều này bao gồm điều khiên từ xa và điều khiến trực tiếp các hoạt động sản xuất, các quy trình chế tạo máy và vận chuyến vật liệu Kỹ thuật truyền động thủy khí rất thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa này vì có bốn ưu điếm cơ bản sau:

Hình 1-5 Hoạt động bằng thùy lực của bánh xe càng mũi máy bay

(1) Điều khiến dễ dàng và chính xác Bằng việc dùng các cần gạt và nút ấn nên hoạt

động của hệ thống thủy khí dễ khởi động, dừng, tăng hoặc giảm tốc độ, và vị trí các lực đế tạo nên công suất mong muốn với dung sai chỉ khoảng 1/1000 inch Hình 1-5 mô tả hệ thống truyền động thủy khí cho phép phi công nâng hoặc hạ càng mũi máy bay Khi phi công điều chỉnh cần

gạt nhỏ của một van điều khiển theo một chiều, dầu có áp chảy đến một đầu của xy lanh để hạ càng khi tiếp đất Đẻ co bánh về người phi công gạt cần van theo chiều ngược lại, cho phép dầu chảy vào đầu kia của xy lanh.

(2) Khuếch đại lực Một hệ thống thủy khí (không sử dụng các bánh răng, puli và tay

đòn cồng kềnh) có thế tăng các lực lên nhiều lần một cách đơn giản và hiệu quả từ một vài chục gam lên hàng trăm tấn ở đầu ra Hình 1 -6 mô tả một ứng dụng ở nơi cần dẫn động có công suất rất lớn để vận chuyển những khúc gỗ to Trong trường hợp này, một bàn quay được dẫn động bằng một động cơ thủy lực, có thể mang tải 20.000 Ib với bán kính 10-ft, tương ứng với mô men quay là 200.0001b.ft ở điều kiện hoạt động khó khăn

Hình 1-6 Bàn quay được dẫn động bằng thủy lực đế vận chuyến các khúc gỗ lớn

(3) Lực hay mô men không đối Chỉ có hệ thống truyền động thủy khí mới có khả năng

cung cấp lực hay mô men không đổi không phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc Điều này được thực hiện dù là cồng để di chuyển một vài inch trong một giờ, hay vài trăm inch trong một phút, một vài vòng quay trong một giờ, hay hàng ngàn vòng quay trong một phút Hình 1 -7 mô tả một ứng dụng trong hải dương học liên quan đến thăm dò và phát triến các nguồn lợi của đại dương vì lợi ích của nhân loại Điều quan trọng là người điều khiến duy trì một lực giữ cố định thông qua việc điều khiển tay nắm

Hình 1-7 ứng dụng truyền động thủy khí trong hải dương học

Hình 1-8 Hệ thống điều khiến lái

bằng truyền động thủy khí cho xe vận chuyển )

(4) Đơn giản, an toàn, kinh tế Nói chung, các hệ thống thủy khí sử dụng ít các bộ phận

hơn so với các hệ thống điện và cơ khí Vì vậy, bảo dưỡng và vận hành chúng đơn giản hơn Điều này làm tăng độ an toàn, nhỏ gọn, và tin cậy Hình 1-8 mô tả một hệ thống điều khiển lái được thiết kế cho xe vận tải Cụm lái (gắn với trụ lái chỉ ra ở Hình 1-8) bao gồm một van phân phối điều khiên bằng tay và một tiết lưu ở trong cùng một vỏ Vì cụm lái được kết nối hoàn toàn bằng chất lỏng nên các liên kết cơ khí, nối trục nhiều chiều, ổ trục, hộp giảm tốc v.v bị loại bỏ Điều này làm cho hệ thống nhỏ gọn và đơn giản Hơn nữa, hệ thống điều khiển lái yêu cầu mô men xoắn rất nhỏ

Các lợi ích khác của hệ thống thủy khí là chuyến động đảo chiều nhanh, tự động bảo vệ chống lại quá tải, và điều khiến vô cấp vận tốc Các hệ thống thủy khí cũng có tỷ số công suất trên trọng lượng cao nhất trong các nguồn năng lượng đã biết

Nhược điếm của kỹ thuật truyền động thủy khí

Mặc dù có nhiều un điểm như trên, kỹ thuật truyền động thủy khí cũng có những hạn chế trong ứng dụng Ví dụ, dầu thủy lực dễ gây bân, và rò rỉ là khồng thế tránh khỏi Đường ống thủy lực có thế vỡ, làm bị thương cho người do các tia dầu tốc độ cao và các mẩu kim loại nếu thiết kế không họp lý Làm việc lâu dài trong tình trạng tiếng ồn kéo dài, như phát ra từ bơm có thế dẫn đến mất thính giác Hầu hết dầu thủy lực cũng có thế gây cháy nếu rò rỉ dầu xảy ra trong vùng khí hậu nóng Trong các hệ thống khí nén, các bộ phận như các bình chứa khí nén và các bình tích năng có khả năng bị nổ nếu áp suất làm việc tăng vượt giới hạn an toàn

Vì vậy mỗi ứng dụng phải được nghiên cứu kỹ lưỡng và toàn diện để xác định điều kiện cho

hệ thống làm việc tốt nhất

1.1.3 Các ứng dụng của kỹ thuật thủy khí

Mặc dù đã đưa ra một số ứng dụng của kỹ thuật truyền động thủy khí, các ví dụ bổ xung dưới đây sẽ mô tả đầy đủ hơn việc sử dụng rộng rãi của chúng hiện nay

(ỉ) Kỹ thuật truyền động thủy khí dân động xe cáp treo: Hầu hết các xe điện treo trên

cao yêu cầu một dây cáp kéo đế di chuyển lên hoặc xuống dốc Tuy nhiên, xe treo trên cao chở

22 hành khách được truyền động và điều khiển bằng thủy lực như mô tả ở Hình 1-9 là điều có một không hai Nó tự đẩy đi và di chuyển trên một dây cáp cố định, người vận hành có thế dừng, khởi động, và đảo chiều bất kỳ một xe nào một cách hoàn toàn độc lập với xe khác trong

hệ thống Tô họp của dẫn động xe chạy trên cao gồm một bơm (được dẫn động bằng một động

cơ xăng 8 xy lanh tiêu chuấn), cung cấp chất lỏng cao áp tới 4 mô tơ thủy lực Mỗi mô tơ dẫn

động hai bánh xe ma sát.

Tám bánh xe dẫn động ở phía trên của các dây cáp đỡ và đẩy xe đi Trên các đường dốc yêu cầu mô men quay lớn dẫn động đế lên dốc và yêu cầu mô men phanh lớn khi xuống dốc

Hình 1-9 Xe cáp treo trên cao dẫn động bằng thủy lực

(2) Kỹ thuật truyền động thủy khí được ứng dụng để thu hoạch ngô: Sự phụ thuộc của

thế giới vào nước Mỳ về lương thực dẫn đến đòi hỏi rất lớn đối với việc phát triển các thiết bị nông nghiệp Kỹ thuật truyền động thủy khí được áp dụng để giải quyết nhiều vấn đề liên quan tới thu hoạch cây lương thực Hình 1-10 cho thấy một hệ thống băng tải được dẫn động bằng thủy lực dùng đê vận chuyên ngô đã được thu hoạch và bóc vỏ đên toa moóc xe kéo Một động

cơ thủy lực mắc trực tiếp trên băng tải dẫn động dây xích cung cấp công suất từ khi khởi động đến khi quay với số vòng quay tính toán

(3) Dan động bàn chải xe quét rác: Hình 1-11 mô tả hệ thống thủy khí dẫn động bàn chải quét đường, lau sàn, v.v công nghiệp Các động cơ thùy lực nhỏ gọn được gắn trực tiếp lên moay-ơ của bàn chải quét bên cạnh và phía trước Chúng loại trừ các liên kết cơ khí cồng kềnh cho các kết cấu máy gọn nhẹ, có hiệu quả cao Kết quả là hoạt động làm sạch công nghiệp nặng nhọc và liên tục được thực hiện qua một cái gạt nhẹ một van điều khiến đơn giản

Hình 1-10 Băng tải được dẫn động bằng thủy lực đê thu hoạch ngô

Hình 1-11 Dan động bàn chải bằng thủy lực.

Hình 1-12 Xe nâng hàng thủy lực

(4) Hệ thông thủy khỉ là cơ băp trong các xe nâng hàng công nghiệp: Hình 1-12 mô tả một xe nâng hàng thủy lực với tải trọng nâng 5000 Ib Hệ thống thủy lực bao gồm một đôi xy lanh nghiêng tác động hai chiều và một xy lanh nâng tời Động tác nghiêng thực hiện nhẹ nhàng nhẹ nhàng và chắc chắn để đặt tải dễ hơn và ổn định hơn Một van hạ tải trong xy lanh nâng điều khiển tốc độ hạ xuống Hệ thống lái thủy lực là một lựa chọn đặc trưng của loại xe nâng này

(5) Hệ thống thủy khí dân động các mảy đào Hình 1-13 mô tả một máy đào có gầu tác động bằng thủy lực để đào đất và đố đất vào thùng xe ở một công trường xây dựng Tổng cộng

có bốn xy lanh thủy lực được sử dụng để dẫn động ba bộ phận liên kết với nhau bằng chốt trục

là cần, tay gầu, và gầu cần là bộ phận được chốt một đầu với khung cabin Tay gầu là bộ phận được chốt một đầu với cần và một đầu với gầu Hai trong các xy lanh kết nối khung cabin với cần Xy lanh thứ ba kết nối cần với tay gầu và xy lanh thứ tư kết nối tay gầu với gầu Đối với máy đào chỉ ra ở Hình 1-13, dung tích gầu lớn nhất là 4,2 m3 anh (yard3) và tải trọng nâng lớn nhất từ mặt bằng máy là 41000 Ib

Hình 1-13 Máy đào dẫn động bằng thủy lực

(6) Cánh tay robot khéo léo được dân động bằng thủy lực Hình 1-14 mô tả một cánh tay rô bốt dẫn động bằng thủy lực có sức mạnh và sự khéo léo đế vặn các bu lông bằng các ngón tay của nó và cũng có the cấn thận gắp lên một cái vỏ trứng Cánh tay rô bốt này sử dụng thành thạo như con người các dụng cụ như búa, khoan điện, các loại kẹp và thậm chí có thể dùng gậy chơi bóng chày Cánh tay có một bàn tay với một ngón cái và hai ngón, cũng có cổ tay, khuỷu tay và vai Hệ thống điều khiên có khả năng tiếp nhận các tín hiệu điều khiến hoạt động của con người hay của máy tính Hệ thống cũng có thể được thiết kế đế thực hiện các công việc nguy hiểm trong lòng biến sâu, phục vụ công cộng, hay làm việc trong môi trường phóng

xạ, và dải kích thước của robot có từ tương đương với tay của con người cho tới dài đến 6 ft

Hình 1-14 Cánh tay rô bốt khéo léo dẫn động bằng thủy lực.

1.1.4 Các phần tủ’ của một hệ thống truyền động thủy khí

Hệ thong thủy lực: Có sáu thành phần cơ bản trong một hệ thống thủy lực (xem Hình

1-15):

1 Thùng chứa chất lỏng (A),

2 Bơm cấp dầu cho hệ thống (C),

3 Động cơ điện hoặc nguồn năng lượng khác đế dẫn động bơm (B),

4 Các van để điều khiển hướng, áp suất và lưu lượng dầu (E, D, F),

5 Cơ cấu chấp hành để chuyển áp suất dầu thành lực hoặc mô men xoắn để sinh công

có ích Các cơ cấu chấp hành có thể là các xy lanh (H) để tạo ra chuyển động thẳng, như chỉ ra

ở Hình 1-15, hoặc là các động cơ thủy lực đế tạo ra chuyến động quay, như chỉ ra ở Hình 1-16

6 Đường ống dẫn dầu từ vị trí này đến vị trí khác

Các phần tử

A - Bê chứa dâu

F - Van điều khiển lưu lượng

Hình 1-17 Hai bộ nguồn thủy lực hoàn chỉnh kích thước khác nhau.

Hệ thống khí nén

Các hệ thống khí nén có các thành phần tương tự như ở hệ thống thủy lực Sáu thành phần cơ bản cần thiết cho các hệ thống khí nén như sau:

1 Một bình khí để chứa một thể tích khí nén nhất định

2 Một máy nén khí đế nén không khí lấy trực tiếp từ khí quyến

3 Một động cơ điện hoặc động cơ khác đế dẫn động máy nén

4 Các loại van điều khiển hướng, áp suất và lưu lượng

5 Các cơ cấu chấp hành hoạt động tương tự như cơ cấu chấp hành thủy lực

6 Đường ống dẫn khí nén từ vị trí này đến vị trí khác

Hình 1-18 mô tả một bộ truyền động khí nén đầy đủ với với bình chứa khí nén, máy nén khí, động cơ điện, và các phần tử khác như các loại van, đường ống và các đồng hồ

Trong các hệ thống khí nén, sau khi khí nén dẫn động các cơ cấu chấp hành, khí sẽ được

xả vào khí quyên Khác với trong hệ thống thủy lực, dầu xả được tháo về thùng và được sử dụng lại sau khi được táng áp bởi bơm theo yêu cầu của hệ thống

Hình 1-18 Bộ nguồn khí nén có bể chứa, gọn với máy nén khí dẫn động điện

1.2 TÍNH CHÁT CỦA CHẤT LỎNG VÀ CHẤT KHÍ

Hình 1-19 Bề mặt tự do của một chất nước

Thuật ngữ chất lỏng thủy lực nói đến cả các chất lỏng và các chất khí Chất long là một chất mà đối với một khối đã cho sẽ có một thể tích xác định không lệ thuộc vào hình dạng của bình chứa nó Điều này có nghĩa là ngay cả khi một chất nước sẽ lấy hình dạng của bình chứa thì nó chỉ điền đầy phần bình chứa có thể tích bằng thể tích của khối chất nước đó mà thôi Ví

dụ, nếu nước được rót vào một bình chứa và thể tích của nước không đủ điền đầy bình, thì sẽ hình thành bề mặt tự do như ở Hình 1-19 (a) Một mặt tự do cũng được tạo thành trong khối nước, như một hồ nước tiếp xúc với khí quyến [Hình 1-19 (b)]

Các chất lỏng được coi là không nén được đến mức thể tích của nó không thay đổi khi

áp suất thay đối Điều này không thật chính xác, nhưng sự thay đối thế tích do áp suất thay đối nhỏ đến mức có thể bỏ qua đối với hầu hết các ứng dụng kỹ thuật

Các chất khí là loại chất nén được dễ dàng Thể tích của chúng sẽ thay đổi để điền đầy bình chứa chúng Điều này được minh họa ở Hình 1-20, ở đó một chất khí được cho vào bình rỗng Như đã thấy, các phân tử khí luôn điền đầy toàn bộ bình Vì vậy, không giống như chất lỏng có thể tích xác định đối với khối lượng đã cho, thế tích của một khối khí đã cho sẽ tăng lên đế điền đầy bình chứa nó Các chất khí bị ảnh hưởng rất lớn bởi áp suất Sự tăng áp suất làm cho thế tích khí giảm, và ngược lại Hình 1-20 tổng kết những tính chất vật lý khác nhau

cơ bản giữa chất lỏng và chất khí đối với một khối lượng đã cho

Không khí là chất khí được dùng trong hệ thống truyền động khí nén vì nó không đắt

và có sẵn Không khí cũng có những đặc tính mong muốn như một chất lỏng trong truyền động thủy khí như sau:

1 Chống cháy

2 Khồng bân

3 Có thê xả lại vào khí quyên

Những nhược điếm khi dùng khí nén so với dùng dầu thủy lực là:

1 Do khả năng nén được của nó nên khí nén không thê dùng được trong các ứng dụng

ở đó yêu cầu vị trí chính xác hay độ cứng vững cao

2 Vì chất khí nén được nên nó có khuynh hướng chậm chạp

3 Khí nén có thể là chất ăn mòn vì nó chứa ô xy và nước

4 Một chất bôi trơn phải được thêm vào khí nén đế bôi trơn các van và cơ cấu chấp hành

5 Các áp suất không khí lớn hơn 250 psi không được sử dụng do nguy cơ nổ nếu các

bộ phận như bình chứa khí nén bị nứt Đó là vì khí nén (do tính nén được của nó) có thế chứa một lượng lớn năng lượng khi nó bị nén tương tự như năng lượng nén của một cái lò xo

Hình 1-19 Chất khí luôn điền đầy toàn bộ bình chứa.

1.2.1 Mô đun đàn hồi

Tỷ số công suất trên trọng lượng và độ cứng cao của các hệ thống thủy lực là lý do chúng thường được lựa chọn cho phần lớn các ứng dụng có công suất cao Độ cứng của hệ thống thủy lực liên quan trực tiếp đến tính không nén được của dầu Mồ đun đàn hồi thể tích phản ánh tính không nén được này Mô đun đàn hồi thể tích càng cao thì chất lỏng càng ít chịu nén hay chất lỏng càng cứng

Mô đun đàn hồi thể tích được định nghĩa bằng biểu thức (1-1), ở đây dầu trừ chỉ ra rằng khi áp suất tác dụng lên một lượng dầu đã cho tăng thì thê tích dầu giảm và ngược lại

<!■» AV/V

Ở đây p = mô đun đàn hồi thể tích (psi, kPa),

Ap = lượng thay đổi áp suất (psi, kPa),

AV = lượng thay đổi thể tích (in3, m3),

V = thể tích ban đầu (in3, m3)

Mô đun đàn hồi thế tích của dầu thay đối theo áp suất và nhiệt độ Tuy nhiên, đối với

sự thay đổi áp suất và nhiệt độ xảy ra trong phần lớn các hệ thống thủy lục thì yếu tố này có thể

bỏ qua Giá trị tiêu biểu của mô đun đàn hồi đối với dầu là 250000 psi (1,72 106 kPa)

1.2.2 Tính nhớt

Tính nhớt là thuộc tính quan trọng nhất của chất lỏng thủy lực Nó là thuớc đo sức cản của chất lỏng đến dòng chảy Khi độ nhớt thấp, chất lỏng chảy dễ dàng và nhìn có vẻ loãng Chất lỏng có độ nhớt cao sẽ khó chảy và trông đặc hơn

Trong thực tế, độ nhớt lý tưởng đối với một hệ thống thủy lực là một sự dung hòa Độ nhớt quá cao sẽ dẫn đến:

1 Sức cản dòng chảy lớn, làm quá trình hoạt động chậm

2 Tăng công suất tiêu thụ do tổn thất ma sát

3 Tăng tôn thất áp suất qua các van và đường ống

4 Tăng nhiệt độ gây ra do ma sát

Mặt khác, nếu độ nhớt quá thấp sẽ dẫn đến

1 Tăng rò rỉ dầu qua các bộ phận lót kín

2 Mài mòn quá mức do vỡ màng dầu giữa các bộ phận di động tiếp xúc nhau Các bộ phận di động này có thể là các thành phần của bơm (như là các piston chuyển động qua lại trong các lỗ xilanh của bơm piston) hoặc con trượt bên trong thân van như ở Hình 1-21

F và chuyến động với vận tốc V Do tính nhớt nên dầu bám vào cả hai bề mặt Vì vậy, vận tốc của lóp chất lỏng tiếp xúc với tấm dưới bằng không, và vận tốc của lóp tiếp xúc với tấm trên là

V Kết quả là biếu đồ vận tốc thay đối tuyến tính, độ dốc của nó là v/y

Độ nhớt tuyệt đối của dầu có thể biểu diễn dưới dạng toán học như sau:

v/y V/y

Ó đây: T = ứng suất tiếp trong chất lỏng có đon vị lực trên diện tích đơn vị (lb/ft2, N/m2); ứng suất trượt (sinh ra bởi lực F) gây nên sự trượt của các lớp dầu kề nhau:

V = vận tốc của tấm chuyến động (ft/s, m/s);

y = chiều dày màng dầu (ft, m);

p = độ nhớt tuyệt đối của dầu,

Hình 1-22 Biểu đồ vận tốc giữa các tấm phẳng song song do tính nhớt

Kiếm tra đơn vị cho p ở hệ Anh, dùng công thức (1-2) ta có:

lb/ft2

= lb.s/ ft2

Tương tự, ta có đơn vị đo của p ở hệ SI là N.s/m2

Neu tấm di động có diện tích bề mặt tiếp xúc với dầu bằng một đơn vị, vận tốc tấm phía trên và chiều dày màng dầu là một đơn vị, thì công thức (1-2) trở thành:

đo sức cản của chất lỏng đối với dòng chảy

Độ nhớt thường được biếu diễn trong hệ CGS metric system Trong hệ CGS, các đơn vị cho (1-2) là:

Các đơn vị đo độ nhớt động học như sau: hệ Anh: ft2/s, hệ SI: m2/s, và hệ CGS: cm2/s

Độ nhớt 1 cm2/s gọi là stoc (stoke) Vì stốc là đơn vị lớn, nên thường dùng centistốc (cS)

Máy đo độ nhót Saybolt

Độ nhớt của chất lỏng thường được đo bằng máy đo Saybolt, mô tả trên Hình 1-23 về

cơ bản, thiết bị này gồm một khoang bên trong để chứa mẫu dầu Một ngăn bên ngoài riêng biệt bao quanh khoang bên trong chứa một lượng dầu mà nhiệt độ của nó được điều khiến bởi bộ

ổn nhiệt và máy sấy bằng điện Một lỗ tiêu chuẩn được bố trí ở trung tâm đáy khoang dầu Khi mẫu dầu ở nhiệt độ mong muốn, thời gian để điền đầy khoang 60 cm3 qua lỗ được ghi lại Thời gian (t) được đo bằng giây, là độ nhớt của dầu ở đơn vị chính thức gọi là Giây Xêbôn (Saybolt Universal Seconds- SƯS) Vì chất lỏng nặng chảy chậm, giá trị độ nhớt sus sẽ cao hơn của chất lỏng nhẹ

Tồn tại một quan hệ giữa độ nhớt đo bằng sus và cS Quan hệ này được đưa ra bởi các công thức kinh nghiệm sau:

ơ đây ký hiệu v đại diện cho độ nhớt tính bằng cS và t là độ nhớt đo bằng sus, hay đơn giản là giây

ÍNếu tôi chạy nhanh thì độ nhớt củạ tôi thấp_

Hộp điều khiến

Điều chỉnh nhiệt kế

Mức dầu

ôn địidi tlú nghiệm I ị I

Nhiệt kế

Độ NHỚT LÀ GÌ?

Độ nhót lá thu ỡc đo khã năng chây ỡ

nhiệt độ đã đỉnh

ỴÌ SAO PHAI KIẺM TRA?

ơ nhiệt độ công tãc, độ nhớt xác đinh ma

sát của chat lõng (ma sát ỡ trong dâu).

Độ nhót thay đôi cluing tò tinh không ổn

đmh vê nhiêm bân hoặc ó xy hóa

Lưu htợng cũa dâu tại một thòi

phổ dụng

Ai

LÂM THẾ NÀO XÁ ĐỊNH Độ NHỚT Đơn vị do lã thời gian can tlìiẻt tinh băng giây đê cho 60ml dâu chây qua lo tiêu chuân du ói cột áp tiêu chuân và ỡ nhiệt độ đã cho 100F vã 210F lá nhiệt độ chung đê do độ nhót Độ nhớt Saybolt có đuợc vói dụng cụ tu ong tụ vói ló lớn hơn, cho kêt quã xâp xỉ 1 10 của các lô tông quát.

Đó nhỡt điên hĩnh (Độ nhỡt Saybolt thông thu õng) đôi vôi chi tiêu SAE ỏ tổ

Độ nhớt động học được định nghĩa như là độ nhớt tuyệt đối chia cho khối lượng riêng

Vì trong hệ CGS, khối lượng riêng bằng tỳ trọng (vì Ph2o= 1 g/cm3 do vậy có giá trị bằng 1), phưong trình sau có thế dùng đế tìm độ nhớt động học đo bằng cS nếu độ nhớt tuyệt đối đo bang cP, và ngược lại

Độ NHỚT ĐỘNG HỌC LA GÌ?

Độ idiot động học lã thời gian cân thiêt đê một

luọiig dâu xác đinh chày qua một ống mao dân

du ới tãc dụng của ti ọng lục Đon vị của độ nhớt

động lã stôc hay centi stôc (1/100 stỏc) Độ nhót

động học cung cô thê duúi nghĩa lã thu ong cùa độ

nhót tuyệt đôi đo băng centipoazo và tỷ trọng

của cliât lỏng, cả hai õ cùng nhiệt độ

Centistoke = Centipoise/Tỹ trọng

VỈ SAO PHẢI KLẺM TRA?

Độ NHƠT TUYỆT ĐÓI LÀ GÌ?

Độ nhõt tuyệt đói lã lục tiêp tuyên tiên don vị diện tích của một trong hai mặt phăng song song klũ kho ăng không giủ a cluing điên đây chât lõng vã một mật phăng chuyên động tu ong dôi voi mặt phăng kia voi vận tôc đon vị Đon vị của độ nhót tuyệt đôi lã poazo (có thú nguyên, gam trên centime t tiên giây) Centipoazo lã 1 100 poazo vã lã don vị thường diuig nhât của độ nhót tuyệt đói.

KÉT QUÀ ĐIẺN HĨNH

225 X 0,1200 = 27.0 Centistokes Kiêm ti a lã cách đo độ nhót của chât lỏng một

cách chinh xác. 0.1200 cs/sec = hãng sò hiệu chinh ò đây , 225 s = thôi gian chây

không đôi start

Đo thôi gian chây til dâu stall den dan stop

Hình 1-24 Đo độ nhớt bằng ống mao dẫn

Như đã lưu ý trước đây, ở hệ đơn vị SI, N.s/m2 và m2/s là các đơn vị dùng cho độ nhớt

tuyệt đối và độ nhớt động học Mậc dù đây là những đơn vị tốt cho mục đích tính toán, trong thực tế của công nghiệp thủy khí độ nhớt động học vẫn thường dùng các đơn vị sus hay cS.

Ống đo độ nhót mao dẫn

Một phương pháp để xác định nhanh độ nhớt động học của chất long bằng cS và độ nhớt tuyệt đối bang cP được mô tả ở Hình 1-24 Thí nghiệm này đo thời gian cần thiết đế cho một lượng chất lỏng xác định chảy qua ống mao dẫn dưới tác động của trọng trường Thời gian

đo bằng giây được nhân với hằng số hiệu chỉnh của dụng cụ đế nhận được độ nhớt động học của mẫu chất lỏng bằng centistốc Độ nhớt tuyệt đối đo bằng centipoazơ được tính bằng công thức (1-6)

Chỉ số độ nhớt là số đo tương đối về sự thay đổi độ nhớt của dầu đối với sự thay đổi nhiệt độ Dầu có chỉ số độ nhớt cao là loại có độ nhớt tương đối ổn định, thay đổi không đáng

kể theo nhiệt độ Ban đầu phạm vi của chỉ số độ nhớt từ 0 đến 100, tương ứng với chỉ số độ nhớt xấu nhất đến tốt nhất Ngày nay, với kỹ thuật tinh chế và các hóa chất phụ gia được cải tiến, dầu có các giá trị chỉ số độ nhớt trên 100 Loại dầu có chỉ số độ nhớt cao sử dụng tốt trong mọi thời tiết cho các máy hoạt động ngoài trời có nhiệt độ thay đổi bất thường Ớ đó chỉ số độ nhớt có ý nghĩa đặc biệt Đối với hệ thống thủy lực có nhiệt độ dầu thay đổi không đáng kể, chỉ

số độ nhớt của chất lỏng không là vấn đề phải quan tâm

Chỉ số độ nhớt (VI) của bất kỳ dầu thủy lực nào đều có thế tìm bằng công thức sau:

L-H

Trong đó L = độ nhớt đo bằng sus của dầu có chỉ số độ nhớt là 0 ở 100°F,

Ư = độ nhớt đo bằng sus của dầu có chỉ số độ nhớt chưa biết ở 100°F,

H = độ nhớt đo bằng sus của dầu có chỉ số độ nhớt là 100 ở 100°F

VI cùa dầu chưa biết-VI được xác định từ các thử nghiệm Một loại dầu tham khảo có 0-V1 và một loại có 100- VI được chọn, mỗi loại có độ nhớt như nhau ở 210°F như dầu chưa biết VI Sau đó đo độ nhớt của ba loại dầu được đo ở 100°F cho các giá trị L, Ư, và H

Hình 1-25 đưa ra đồ thị mô tả các đại lượng trong đẳng thức (1-7) Lưu ý rằng sự thay đổi độ nhớt của dầu thủy lực như là hàm số của nhiệt độ được mô tả bằng một đường thẳng khi dùng các đồ thị nhiệt độ độ nhớt tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing and Materials)

Hình 1-26 cho thấy kết quả của thí nghiệm chỉ số độ nhớt, ở đây dầu A là dầu 0-VI và dầu c là dầu 100-VI (dầu có chỉ số độ nhớt 100) Hai loại dầu chưa biết chỉ số độ nhớt VI là B

và D tìm được các giá trị VI tương ứng là 50 và 140 Ví dụ, chỉ số độ nhớt VI đối với dầu B

được tính toán như sau dùng các giá trị độ nhớt ở 100°F đối với dầu A ( giá trị L), B(giá trị Ư)

và c (giá trị H) từ hình 1 -26:

™ _ L - U 1 An _ 2400 -17°0 1 nn _

VI(dau B) = -—— X100 = X 100 = 50

L-H 2400-1000

Hình 1-25 Các đường điển hình để kiểm tra chỉ số độ nhớt

Một đặc tính khác liên quan đến độ nhớt được gọi là điểm rót, là nhiệt độ thấp nhất mà

ở đó chất lỏng còn chảy được Nó là thông số rất quan trọng đế định rõ các hệ thống thủy lực

sẽ được sử dụng ở nơi có nhiệt độ thấp đến mức nào Theo kinh nghiệm, điếm rót ít nhất phải thấp hơn nhiệt độ thấp nhất của hệ thống là 20°F

CHĨ só Độ NHỚT LÀ GÍ?

Chi sô (lộ nhót lã một clũ sô kinh nghiệm chi ra

tôc độ thay đói độ nhớt của (lân trong phạm vi

nhiệt (lộ (lã chọ Clũ sô (lộ nhót thâp có nghĩa lã

có sụ thay (lói tuông (lôi lớn của (lộ nhớt theo

nhiệt (lộ, ngu ục lại clũ sỏ (lộ nhót cao cho thây sit

thay (lói nhỏ cũa (lộ nhót theo nhiệt (lộ Chi sô (lộ

nhót không (lu ực (lùng (lê (lo (lặc tinli não khác

của (lâu

Chỉ sò (lộ nhót (luọc tinh nhu sau:

VI^xlOO L-H

u = (lộ nhớt (lo bàng sưs ờ lOOoF cùa (lâu mà chi sô (lộ nhót đu ục tinh to ân.

L = (lộ nhót (lo băng sus õ IOO0F của (lâu với chỉ sô (lộ nhót băng 0 vã có cùng (lổ nhót ữ 210 oF vôi dâu

có clũ sô (lộ nhót cân tinh toàn

H = (lộ nhớt (lo báng sưs ờ IOO0F của (lâu có chi sô (lộ nhót băng 100 vã có cùng (lộ nhót ã 210 oF vói (lâucõ clìi số (lộ nhót cân đu ục tinh toán

Bê l ộng tạo ra sụ khác biệt vê clũ sỏ (lộ nhót

Nhô VI Trung Binh VI Cao VI T(MPf««Tuặ DlGHtlỉ FAHHfHHHT

1.3 CÁC ĐỊNH LUẬT, PHƯƠNG TRÌNH cơ BẲN

Năng lượng được định nghĩa là khả năng thực hiện công, vì vậy truyền năng lượng là vấn đề chủ yếu trong hoạt động của các hệ thống thủy lực Hình 1-27 mô tả một so đồ khối minh họa năng lượng được truyền như thế nào qua một hệ thống thủy lực (ở trong đường gạch đứt) Như đã thấy, nguồn động lực đầu tiến (là một động cơ điện hoặc động cơ đốt trong) tạo

ra năng lượng đầu vào bơm của hệ thống thủy lực qua một trục quay

NHIỆT NĂNG RA

Cơ NĂNG

Hình 1-27 Sơ đồ khối của hệ thống thủy lực mô tả các thành phần chính cùng với năng lượng từ đầu vào đến đầu ra

Bơm chuyến cơ năng này thành năng lượng thủy lực bằng cách tăng áp suất và vận tốc của chất lỏng Chất lỏng chảy tới cơ cấu chấp hành qua mạch thủy lực bao gồm các đường ống, các van và các phần tử khác Mạch thủy lực điều khiến lưu lượng và áp suất trong hệ thống Cơ cấu chấp hành (xy lanh hoặc mô tơ thủy lực) biến đối năng lượng thủy lực từ chất lỏng thành

cơ năng đế dẫn động tải qua lực hoặc mô men quay của trục ra

Một số năng lượng thủy lực của chất lỏng bị mất mát do ma sát khi chất long chảy qua các đường ống, van, đầu nối, và các phần tử điều khiến khác Những tốn thất năng lượng này được phân tích ở chương 4, làm xuất hiện nhiệt năng truyền vào môi trường hoặc truyền cho chất lỏng làm tăng nhiệt độ chất lỏng Năng lượng được biến đối thành nhiệt (do ma sát) là tôn thất vì nhiệt năng không thể thực hiện công có ích

Tất cả các dạng năng lượng này được giải thích bởi định luật bảo toàn năng lượng, là năng lượng không tự nhiên tạo ra mà cũng không tự mất đi Điều này được thê hiện bằng phương trình sau đối với hệ thống ở Hình 1-27:

Năng lượng đầu vào ME - Năng lượng tôn thất HE = Năng lượng đầu ra ME

Công suất được định nghĩa là tốc độ thực hiện công hay tốc độ tiêu thụ năng lượng Vì vậy tốc độ động cơ dẫn động cung cấp năng lượng cho bơm sẽ bằng công suất đầu vào của hệ thống thủy lực Tương tự như vậy, tốc độ mà cơ cấu chấp hành truyền năng lượng cho tải bằng công suất đầu ra của hệ thống thủy lực Công suất đầu ra được xác định bởi yêu cầu của tải Lực hoặc mô men yêu cầu đế di chuyên tải càng lớn và công phải thực hiện càng nhanh, thì công suất đầu ra của hệ thống thủy lực càng lớn

Một hệ thống thủy lực không phải là một nguồn năng lượng Nguồn năng lượng là động

cơ dẫn động bơm Do vậy, trong thực tế, một hệ thống thủy lực đơn thuần là một hệ thống truyền năng luợng Vậy vì sao không bỏ hệ thống thủy lục và đơn giản là nối tải trực tiếp với động cơ dẫn động? Câu trả lời là một hệ thống thủy lực thì linh hoạt hơn đế truyền công suất Tính linh hoạt này bao gồm: tốc độ thay đổi, tính đảo chiều, bảo vệ quá tải, tỷ số công suất trên trọng lượng lớn, và tránh hư hởng dưới các điều kiện hãm.

1.3.1 Sự khuếch đại lực (định luật pascal)

Định luật Pascal phát hiện ra nguyên lý cơ bản về các hệ thống truyền động thủy khí thực hiện công có ích như thế nào Định luật này có thể phát biểu như sau: Áp suất ở trong một

khối chất lỏng kín được truyền nguyên vẹn theo mọi hướng trong toàn bộ khối chất lỏng và tác dụng vuông góc với các bề mặt tiếp xúc với chắt lỏng Định luật Pascal giải thích vì sao một

bình thủy tinh chứa đầy chất lỏng có thể vỡ nếu nút bình được ấn vào trong Chất lỏng truyền

áp suất gây ra bởi lực của nút bình tới khắp bình chứa như ở Hình 3-4 Giả sử rằng diện tích của nút bình là 1 in2 và diện tích đáy bình là 20 in2 Thì lực 10 Ib đặt lên nút bình gây ra áp suất

10 psi Áp suất này được truyền nguyên vẹn đến đáy bình, tác dụng lên toàn bộ diện tích 20 in2

và tạo nên một lực 200 lb Do đó, có thê làm vỡ đáy bình bằng cách ấn lên nút với một lực vừa phải

ứng dụng định luật Pascal cho kích thủy lực đơn giản

Ni dụ bình thủy tinh của Hình 1-28 cho thấy một lực khá nhỏ tác dụng lên một diện tích nhỏ có thế tạo ra một lực lớn hơn tỷ lệ với diện tích Hình 1-28 (a) chỉ ra định luật Pascal có thế được áp dụng đế tạo ra một lực được khuếch đại có ích trong kích thủy lực đơn giản, là một thiết bị dùng để nâng các tải trọng lớn Một lực tác dụng 10 Ib lên piston có diện tích 1 in2 Khi

đó sẽ sinh ra áp suất 10 psi ở toàn bộ dầu chứa trong vỏ kích Áp suất 10 psi này tác dụng lên piston có diện tích 10 in2 tạo nên lực ra 100 Ib Lực này thực hiện công có ích khi nó nâng tải trọng 100 Ib

2 Lực 10 LB TÁC DỤNG LÊN NÚT CÓ DIỆN TÍCH BẺ MẶT 1IN 2

1 BINH DƯỢC DLEN ĐÀY CHÁT LÓNG

ỉ KÉT QUẢLAMỖIIN2 CỦA THÁNH BĨNH CHỊU TÁC DỤNG Lực 10 LB

Hình 1-28 Mô tả định

luật Pascal

4 NÉU ĐÁY CÓ DIỆN TÍCH

20 INI VẢ MỎI IN2 BỊ ẤN BẰNG Lực 10 LB TOÀN Bội ĐÁY BÍNH CHỊU Lực ÁN

LÀ 200 LB.

TRỌNG LƯỢNG 100 LB NÉU PITTÔNG NÃY CÓ DIỆN TICK 10 IN2.

100 LB

10 SQ IN.

OIL ĐÀU VÀO 4 CÁC Lực TỶ LỆ VỚI DIỆN TÍCH

(a) KÍCH THỦY Lực ĐƠN GLÃN

Hình 1-29 Khuếch đại lực trong kích thủy lực đơn giản và trong hệ đòn bẩy cơ khí.Chú ý rằng có một sự tương tự giữa kích thủy lực ở Hình 1-29 (a) và hệ đòn bẩy cơ khí

ở Hình 1-29 (b) Từ Hình 1-29 (b) ta thấy lực vào 10 Ib có cánh tay đòn (khoảng cách từ lực đến trục quay) bằng 10 lần chiều dài cánh tay đòn của lực ra Ket quả là, lực đầu ra lớn hơn lực đầu vào 10 lần và do đó bằng 100 Ib

Hình 1-30 Hoạt động của kích thủy lực đơn giản

Sự khuếch đại của lực trong hệ thống cơ khí nhờ các đòn bấy tương tự với điều này lực khuếch đại trong các hệ thống thủy lực là theo định luật Pascal.

Phân tích kích thủy lực

Một câu hỏi thú vị liên quan đến kích thủy lực ở Hình 3-5 (a) là có phải chúng ta có được một cái nào đó từ không có gì? Hay nói cách khác, kích thủy lực đưa ra nhiều năng lượng hơn là năng lượng nó nhận được? Hệ thống thủy lực (cũng như bất cứ hệ thống nào khác) khồng thể tạo ra năng lượng Điều này phù họp với định luật bảo toàn năng lượng được đưa ra ở mục 3.5 Đe trả lời cho câu hởi này, chúng ta hãy phân tích kích thủy lực ở Hình 3-6

Như đã chỉ trên hình, lực F1 tác dụng lên pistonl có đường kính nhỏ, diện tích là A1 Điều này tạo nên áp suất dầu pi ở đáy của piston 1 Áp suất này được truyền qua dầu tới piston

2 có đường kính lớn, có diện tích A2 Áp suất P2 ở piston 2 đẩy lên piston tạo nên lực ra F2

Theo định luật Pascal, pi = P2 Vì áp suất bàng lực chia cho diện tích, ta có

Vì vậy, lực được tăng lên từ đầu vào đến đầu ra của kích nếu diện tích piston đầu ra lớn hơn diện tích pison đầu vào Tỷ số tăng của lực F2 /F1 bằng tỷ số diện tích piston A2/A1 Tuy nhiên, chúng ta chứng tỏ rang piston đầu ra không di chuyến nhanh như piston đầu vào Tỷ số

độ di chuyển của piston có thể được xác định bằng giả thiết dầu không nén được

Như vậy, thể tích hình trụ dầu được thay thế bởi piston đầu vào bằng thể tích hình trụ dầu được thấy thế bởi piston đầu ra

V1=V2

Vì thế tích của một hình trụ bằng tích của diện tích mặt cắt ngang và chiều cao của nó

ta có:

A1S1 = A2S2Trong đó: S1 = khoảng đi xuống của piston 1,

S2 = khoảng đi lên của piston 2

Phương trình 1-9 chứng tỏ rang piston lớn đầu ra di chuyển không nhanh bang piston nhỏ đầu vào Chú ý rằng tỷ số hành trình piston S2/S1 bằng tỷ số diện tích A1/A2 Vì vậy, đối với tỷ số diện tích piston bằng 2, lực đầu ra tăng lên hệ số 2, nhưng di chuyến đầu ra giảm theo

hệ số 2 Như vậy, trong kích thủy lực chúng ta không có gì cho không Lực đầu ra lớn hơn lực đầu vào, nhưng quãng đường đầu ra lại nhỏ hơn quãng đường của đầu vào Ket hợp (1-8) và (1-9) đưa ra quan hệ sau:

F, S2

Nhắc lại rằng năng lượng thực hiện công bằng tích của lực và quãng đường di chuyển

bởi lực Vì vậy phương trình (1-10) phát biểu rằng năng lượng đầu vào của kích thủy lực bằng

năng lượng đầu ra của nó Kết quả này là do hệ số tăng lực bằng hệ số giảm di chuyên, cần chú

ý rằng trong một kích thủy lực thực tế, ma sát giữa piston và bề mặt trong của xy lanh sẽ sinh

ra tốn thất năng lượng do ma sát Điều này làm cho năng lượng thực sự ở đầu ra nhỏ hơn năng

lượng đầu vào Mất mát năng lượng này được tính bằng phương trình năng lượng được sử dụng

đế giải các bài toán hệ thống thủy lực

1.3.2 Bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng phát biểu rằng năng lượng không thế tự sinh ra hay tự

mất đi Điều này có nghĩa là tống năng lượng trọng hệ thống là không đôi Năng lượng tông

bao gồm thế năng do độ cao, áp suất và động năng là do vận tốc Chúng ta hãy xem xét mỗi

loại năng lượng này

1 Thế năng do độ cao (EPE): Hình 1-31 mô tả một khối chất lỏng có trọng lượng w

Ib ở độ cao z so với mặt chuẩn Trọng lượng có thế năng (EPE) đối với mặt chuẩn vì công cần

thực hiện lên chât lỏng đế nâng nó lên khoảng cách z là:

Đơn vị của EPE là ft.lb,

2 Thế năng do áp suất (PPE): Neu w Ib chất lỏng ở Hình (1-31) có áp suất p, nó trữ

áp năng như sau:

Ở đây y là trọng lượng riêng của chất lỏng PPE có đơn vị là ft.lb

3 Động năng (KE): Neu w Ib của chất lỏng ở Hình 1-31 đang di chuyến với vận tốc

V, nó có động năng được tính theo công thức sau

Theo định luật bảo toàn năng lượng chúng ta có thế phát biểu về khối chất lỏng w Ib ở Hình 1-31: năng lượng tổng Et có bởi khối chất lỏng w Ib là không đối (trừ năng lượng được cung cấp cho chất lỏng qua các bơm hay được lấy ra từ chất lỏng qua các động cơ thủy lực hoặc

ma sát) khi khối w Ib chảy qua đường ống của một hệ thống thủy lực

Ta có biêu thức toán học như sau:

77 1 W o

r 2 g

Tất nhiên, năng lượng có thề thay đổi từ dạng này sang dạng khác Ví dụ, khối chất lỏng

có thể mất độ cao (cột áp) khi nó chảy qua hệ thống thủy lực và vì vậy thế năng giảm Tuy nhiên, điều này dẫn đến tăng áp năng hoặc động năng của chất lỏng với một lượng như nhau Phương trình năng lượng tính đến năng lượng cấp cho chất lỏng qua bơm và năng lượng lấy ra

từ chất lỏng qua động cơ thủy lực và ma sát khi chất lỏng chảy qua hệ thống thủy lực thực tế

1.3.3 Phương trình liên tục

Phương trình liên tục phát biểu rằng đối với dòng chảy ổn định trong đường ống, lưu lượng trọng lượng (trọng lượng của chất long đi qua một mặt cắt trong một đơn vị thời gian) là như nhau cho tất cả các mặt cắt bất kỳ của đường ống

Đe minh họa ý nghĩa của phương trình liên tục, tham khảo Hình 1-32, hình này mô tả chất lỏng đang chảy với một lưu lượng trọng lượng w có đơn vị là trọng lượng trên đơn vị thời gian Ông có hai diện tích mặt cắt ngang có kích thước khác nhau tại các vị trí 1 và 2 Phương trình liên tục phát biểu ràng nếu không có chất lỏng được thêm vào hay lấy ra từ đường ống giữa hai vị trí 1 và 2, thì lưu lượng trọng lượng qua các mặt cắt 1 và 2 phải bằng nhau

Trong đó: y = trọng lượng riêng của chất lỏng (lb/ft3),

A = diện tích mặt cắt ngang của ống (ft2),

V = vận tốc của chất lỏng (ft/s)

Kiểm tra các đơn vị, ta có

(lb/ft3)(ft2)(ft/s) = (lb/ft3)(ft2)(ft/s)

hay Ib/s = Ib/s

Hình 1-33 Đường ống để chứng minh phương trình Bernoulli

Với mặt chuẩn cao độ bằng không, có thế nhận được các loại năng lượng như sau:

Daniel Bernoulli, nhà khoa học người Thụy Sĩ thế kỷ thứ mười tám, đã thành lập phưong trình với chú thích rằng tống năng lượng có bởi khối chất lỏng w Ib ở vị trí 1 bằng tồng năng lượng có bởi khối chất lỏng w Ib ở vị trí 2 với điều kiện là ton thất do ma sát nhỏ, có thế bỏ qua:

Neu ta chia cả hai vế của phương trình (1-18) cho w, ta đang xem xét năng lượng có bởi 1 Ib chất lỏng chứ không phải w Ib Điều này đưa ra phương trình Bernoulli cơ bản cho hệ thống lý tưởng không có ma sát không bao gồm bơm và động cơ thủy lực ở giữa vị trí 1 và 2:

Tông năng lượng trong một Ib chất lỏng ở vị trí 1 bằng tống năng lượng trong một Ib chất lỏng

z gọi là cột áp hình học; p/y gọi là cột áp áp suất; N2T2g gọi là cột ảp vận tốc

Phương trình năng lượng

Bernoulli đã sửa đổi phương trình ban đầu của ồng để đưa vào tính toán các tổn thất do

ma sát (Hl) xảy ra giữa vị trí 1 và 2 Hl (gọi là tồn thất cột áp) đại diện cho năng lượng trong một Ib chất lỏng bị mất đi do ma sát từ vị trí 1 đến vị trí 2 Ngoài ra, ông còn đưa vào tính toán một bơm (cấp thêm năng lượng cho chất lỏng) hoặc một động cơ thủy lực (lấy năng lượng từ chất lỏng) có thể có giữa vị trí 1 và 2 Hp (cột áp bơm) đặc trưng cho năng lượng trong một Ib chất lỏng được bơm cung cấp thêm, và Hm (cột áp động cơ) đặc trưng cho năng lượng trong một Ib chất lỏng lấy ra từ động cơ thủy lực

Phương trình Bernoulli đã sửa đối (gọi là phương trình năng lượng), được phát biểu như sau cho chất lỏng chảy trong đường ống từ vị trí 1 đến vị trí 2:

Tông năng lượng có trong khối chất lỏng 1 Ib ở vị trí 1 cộng với năng lượng thêm vào bởi bom trừ đi năng lượng lấy ra từ động cơ thủy lực trừ đi năng lượng mất mát do ma sát, bang tống năng lượng có trong khối chất lỏng 1 Ib khỉ nó đến vị trí 2.

Phương trình năng lượng được cho như sau, trong đó mỗi số hạng đại diện một cột áp

và vì vậy có đơn vị độ dài:

1 _ p m L 2 r\ _ v 7

Phương pháp dùng để xác định mất mát cột áp (Hl) cho một ứng dụng nhất định được

đã được đưa ra Phương trình để xác định cột áp bơm (Hp) có thể suy ra: p = yH

Vì vậy ta có p = yHp thay p = yHp vào phương trình ta có

Cột áp của động cơ cũng có thê được tính theo phương trình (1-20), trong đó số hạng

Hp được thay thế bằng Hm Các số hạng HHP và Q đại diện cho công suất thủy lực bằng mã lực

và lưu lượng bằng gpm của động cơ thủy lực Chú ý rằng công suất thủy lực của bơm là công suất bơm truyền cho chất lỏng, ngược lại cồng suất thủy lực của động cơ là công suất chất lỏng truyền cho động cơ

ứng dụng ong Venturi

Một ứng dụng của phương trình Bernoulli là sử dụng ống venturi trong bộ chế hòa khí động cơ ồtô Hình 1 -34 cho thấy một ống venturi, là một ống đặc biệt có đường kính giảm dần đến một cô hẹp có đường kính không đối Sau đó đường kính ống lại tăng lên từ từ đến khi bằng kích thước ban đầu Ta biết rằng vị trí vào 1 có vận tốc nhỏ hơn vận tốc ở vị trí họng 2 do phương trình liên tục Do đó, V2 lớn hơn VI

Viết phương trình Bernoulli giữa hai vị trí 1 và 2 với giả thiết dòng chảy lý tưởng và độ cao như nhau:

Do V2 lớn hơn Vi, ta biết rằng pl phải lớn hơn P2 Lỷ do đơn giản là khi đi từ vị trí 1 đến

vị trí 2 chât lỏng được tăng thêm động năng nhờ định lý liên tục Kết quả là chất lỏng phải mất

đi áp năng để không tạo ra hoặc làm mất đi năng lượng Hiệu ứng venturi này được gọi là nguyên lý Bernoulli

Hình 1-35 cho thấy hiệu ứng venturi được sử dụng như thế nào trong bộ chế hòa khí ô

tô Thể tích của dòng khí được xác định bởi độ mở của van bướm Khi không khí chảy qua venturi, nó tăng tốc lên và mất đi một lượng áp suất Áp suất ở bầu nhiên liệu bằng áp suất ở cửa khí phía trên venturi Sự chênh lệch áp suất giữa bầu nhiên liệu và họng venturi làm cho xăng chảy vào trong dòng khí Àp suất bị giảm trong ống venturi giúp cho xăng hóa hơi

1.3.5 Định lý torricelli

Định lý Torricelli phát biêu rằng một cách lý tưởng vận tốc của một tia chất lỏng tự do bằng căn bậc hai của hai lần tích của gia tốc trọng trường với cột áp của dòng tia Định lý Torricelli về bản chất là trường hợp đặc biệt của phương trình Bernoulli đối với hệ thống trên Hình 1-36 Trong hệ thống này chúng ta có một thùng có lỗ hở ở thành bên Thùng chứa đầy chất lỏng có chiều cao h ở phía trên đường tâm lỗ Kết quả là dòng tia chất lỏng chảy qua lỗ

Đe đưa ra phương trình Torricelli chúng ta xét điểm (1) ở bề mặt của chất long trong thùng và diêm thứ hai (2) ở trong dòng tia cách xa lỗ Vì dòng tia chất lỏng chảy vào không khí nên nó được gọi là “tia tự do”

Viết phương trình năng lượng giữa hai điếm 1 và 2, ta có

Zl + — + T- + HP ~H„, ~HL=Z2 +- +

Đối với hệ thống Hình 1-36, chúng ta có thế nhận thấy như sau:

1 pi = P2 = áp suất khí quyển = 0 psi

2 Diện tích mặt thoáng chất lỏng trong thùng lớn đến mức vận tốc V1 coi như bằng 0

3 Không có bơm hoặc động cơ (Hp = Hm = 0)

4 Chất lỏng lý tưởng, do đó không có tổn thất do ma sát (Hl = 0)

5 Z2 có thể được lấy là độ cao mặt chuẩn (Z2 = 0).

2

Thay các giá trị đã biết ta có: /z + 0 + 0 + 0- 0- 0- 0 = 0 + 0 +

2g

(1-22)2g/z

Giải đối với V2, ta có: v2 =

Hình 1-36 Hệ thống cho phương trình Torricelli

Trong đó V2 = vận tốc dòng tia,

g = gia tốc của trọng trường (ft/s2),

h = cột áp áp suất (ft)

Neu chúng ta không giả thiết chất lỏng lý tưởng, thì tốn thất ma sát sẽ xảy ra, và do đó

Hl không bằng không Khi đó

Công thức này cho thấy vận tốc dòng tia giảm nếu chất lỏng không phải lý tưởng vì cột

áp áp suất thực sự nhỏ hơn để đẩy chất lỏng qua lỗ Vì vậy, vận tốc thực tế của dòng tia phụ thuộc độ nhớt của chất lỏng

1.3.6 Dòng chảy tầng và chảy rối

Trong thảo luận về dòng chất lỏng trong ống, chúng ta giả thiết vận tốc không thay đổi trên toàn bộ mặt cắt ống ở một vị trí bất kỳ Tuy nhiên, khi chất lỏng chảy qua một đường ống, lớp chất lỏng sát thành có vận tốc bằng không Đó là do tính nhớt làm cho các hạt chất lỏng bám vào thành Các lớp chất lỏng ở càng xa bề mặt ống có vận tốc càng cao, với vận tốc lớn nhất ở tâm ống, như mô tả trên Hình 1-37

Có hai dạng dòng chảy trong ống Dạng thứ nhất là chảy tầng, trong đó chất lỏng chảy trong các lớp trơn hay các lớp mỏng Ớ dạng dòng chảy này, một phần tử chất lỏng ở trong một lớp đã cho sẽ chỉ chảy trong lớp đó, như ở Hình 1-38 Dạng chuyển động này của chất lỏng

được gọi là dạng chảy tầng bởi vì tất cả các phần tử chất long di chuyển theo các đường song

song Do đó, chảy tầng về cơ bản là không có sự va chạm của các phần tử Đối với chảy tầng,

ma sát là do sự trượt êm liên tục của một lóp hay phần tử chất lỏng này đối với lóp hay phần tử chất lỏng khác

Nếu tăng vận tốc của dòng chảy đạt đến một giá trị đủ lớn, dòng chảy không chảy tầng nữa và trở thành chảy rối Như cho thấy ở Hình 1-39, trong dòng chảy rối, sự chuyên động của

một phần tử trở nên tùy tiện và dao động lên xuống theo hướng vuông góc cũng như song song với hướng dòng trung bình Hoạt động xáo trộn này tạo ra sự rối loạn là do va chạm của các phần tử chất lỏng Điều này gây ra sức cản đáng kế tới dòng chảy và vì vậy mất mát năng lượng lớn hơn so với dòng chảv tầng.

Hình 1-37 Biếu đồ vận tốc trong ống

-<L Hình 1-38 Đường đi cùa các phần tử chất lỏng trong chảy

Hình 1-39 Sự dao động ngẫu nhiên của các phần tử chất lỏng trong dòng chảy rối

(b)

Hình 1-40 Các mẫu dòng chảy từ vòi nước, (a) Dòng chảy tầng, (b) dòng chảy rối

Sự khác nhau giữa dòng chảy tầng và chảy rối có thế nhìn thấy khi dùng một vòi nước Khi vòi chỉ mở một phần, với một lượng chảy nhỏ, mẫu dòng chảy là chảy tầng êm như ở Hình

1-40 (a) Tuy nhiên, khi vòi mở lớn, dòng chảy xáo trộn và trở nên rối như ở Hình 1-40 (b).

1.3.7 Số reynolds

Vấn đề quan trọng là biết được dạng dòng chảy bên trong đường ống là tầng hay rối Điều này đưa chúng ta đến các thí nghiệm được Osbom Reynolds thực hiện vào năm 1833 để xác định các điều kiện chi phối việc chuyển tiếp từ chảy tầng sang chảy rối

Hình 1-41 Thí nghiệm Reynolds

Sử dụng hệ thống thí nghiệm như Hình 1-41, Reynolds đã cho chất lỏng trong thùng chứa lớn chảy qua một ống thủy tinh nhẵn, dài và loe ở miệng vào Ồng đã điều khiển lưu lượng bằng một van ở cuối ống Một ống mao dẫn nối với thùng nước màu, cho dòng tia màu nhở mịn chảy vào trong dòng chính

Nếu dòng trong ống chảy tầng, thì tia màu chảy êm và liên tục Tuy nhiên, khi chảy rối xảy ra trong ống, tia màu sẽ trộn lẫn với dòng chất lỏng chính

Từ thí nghiệm trên, Reynolds đã đi đến một kết luận rất có ý nghĩa là: Trạng thái chảy

phụ thuộc thông số không thứ nguyên vDp/p, trong đó V = vận tốc chất lỏng, D = đường kính

trong của ống, p = khối lượng riêng của chất lỏng, p = độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng

Thông số này có tên là số Reynolds Nr và (vì Reynolds đã tìm ra trong thí nghiệm của mình) có ý nghĩa như sau:

1 Nếu Nr nhở hơn 2000, là chảy tầng

2 Nếu Nr lớn hơn 4000, là chảy rối

3 Số Reynolds giữa 2000 và 4000 bao gồm một vùng chuyến tiếp giữa chảy tầng và rối

Không thê đoán trước được trạng thái chảy nào sẽ tồn tại trong vùng chuyến tiếp Vì vậy nếu số Reynolds nằm trong vùng đó thì dòng chảy được coi là chảy rối Tuy nhiên, vì chảy rối dẫn tới tổn thất lớn hơn, nên các hệ thống thủy lực thường được thiết kế hoạt động ở vùng chảy tầng

Số Reynolds (Nr = vDp/p = vD/v), là thông số không thứ nguyên (không có đơn vị), có thế được tính toán theo một số cách tùy theo đơn vị đo của mỗi biến số phụ thuộc của nó (v, D,

p, p và v) Điều này được thể hiện trong các phương trình sau, trong đó chữ M biểu thị đơn vị

đo hệ mét

1 Tổn thất trong các ống dẫn ; 2 Tổn thất trong các van và chỗ nối

Tổn thất trong ống có thể tính bằng phương trình Darcy: