Bài giảng Truyền động thuỷ lực - Khí nén

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa cơ khí – Bộ môn Kỹ thuật hệ thống công nghiệp Tên giảng viên GVC TS Nguyễn Hữu Tuấn Email nhtuan@tlu edu vn ĐT 098 890 36 74 mailto nhtuan@t[.]

Trang 2

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC –

KHÍ NÉN

GVC: Nguyễn Hữu Tuấn

Email : nhtuan@tlu.edu.vn

Trang 3

MỞ ĐẦU

Trang 4

1 NỘI DUNG ĐỀ CƯƠNG

- Nội dung môn học gồm LT+ BT+ TH

- Số tín chỉ: 3 (3,0,0)

THI, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ,

2 CÁCH TỔ CHỨC THI

- Hình thức thi: Tự luận (Không sử dụng tài liệu)

- Số câu hỏi: 3 câu (3+3+4)

- Thời gian làm bài: 90 phút

3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

- Điểm quá trình: 30% (Bài tập + Chuyên cần)

- Điểm thi kết thúc môn: 70%

Trang 5

BÀI MỞ ĐẦU

Lý thuyếtSơ đồHình ảnhVật thực Bài tập

5 TÀI LiỆU SỬ DỤNG

1 Kỹ thuật thủy khí và ứng dụng – BM Máy xây dựng

2 Thủy lực và máy thủy lực - Tập II, Đinh Ngọc Ái, NXB ĐH & Trung học chuyên nghiệp, 1972.

3 Giáo trình của các Trường cùng chuyên ngành.

4 Các tài liệu về từng nhóm máy riêng.

Trang 7

CHƯƠNG 1 GiỚI THIỆU VỀ

KỸ THUẬT THỦY KHÍ

- Các khái niệm cơ bản.

- Ưu nhược điểm và ứng dụng.

- Các phần tử của hệ thống.

- Các hệ đơn vị đo.

Trang 8

Các nội dung chính:

1.1 Khái niệm và định nghĩa

1.2 Ưu nhược điểm, ứng dụng của Kỹ thuật thủy khí

1.3 Các phần tử của hệ thống thủy khí

1.4 Các hệ đơn vị đo

Trang 9

Kỹ thuật thủy khí: là công nghệ sử dụng chất lỏng và chất khí có áp để truyền và điều khiển năng lượng.

Kỹ thuật thủy khí (fluid power) là thuật ngữ bao gồm cả thủy lực (hydraulics) và khí nén (pneumatics)

- Thủy lực: môi chất công tác là chất lỏng: nước,

dầu mỏ, dầu tổng hợp

- Khí nén: môi chất công tác là chất khí: không khí

Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ

1.1 KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA

Sự khác nhau cơ bản giữa chất khí và chất

lỏng là tính nén được và không nén được.

Trang 10

 Hệ thống thủy lực: Do không nén được nên di chuyển lâu hơn, nhưng có thể hoạt động dưới áp suất cao và có

độ chính xác cao -> đáp ứng các yêu cầu:

1 Công suất lớn, khả năng tải cao

2 Chính xác; Chuyển động êm

 Hệ thống khí nén: Do tính nén được nên có tính “đàn hồi” Giãn nở nhanh, phản ứng nhanh nhưng khó chính xác -> phù hợp với yêu cầu:

1 Công suất nhỏ, khả năng tải nhỏ và trung bình

2 Độ chính xác không cao; Phản ứng nhanh

Chế tạo và vận hành các hệ thống khí nén rẻ hơn.

Trang 11

Phân loại: hệ thống vận chuyển và hệ thống truyền động

- Hệ thống vận chuyển: Vận chuyển chất lỏng, chất khí từ nơi này đến nơi khác, yêu cầu áp suất tối thiểu vì sức cản nhỏ.

VD: các trạm bơm nước, đường ống khí đốt

- Hệ thống truyền động: Truyền năng lượng dùng

để di chuyển các tải lớn, do đó phải có khả năng chịu áp suất cao.

VD: dẫn động máy ủi, máy đào, CV thủy lợi, thủy điện,…

Trang 12

1.2 ƯU NHƯỢC ĐiỂM, ỨNG DỤNG CỦA KTTK

truyền năng lượng.

Trang 13

1.2 ƯU NHƯỢC ĐiỂM, ỨNG DỤNG CỦA KTTK

Ưu

Dễ TĐH

C.suất cao

ĐK vô cấp Đảo

chiều c/đ

Y/c chất lượng môi chất

Rò rỉ

Trang 14

Sơ đồ hệ thống thủy lực cơ bản 1.3 CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ

Trang 15

1.3 CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ

Các thành phần cơ bản:

thành công suất thủy lực ở cơ cấu chấp hành.

từ bơm đến các cơ cấu chấp hành.

năng) thành lực hoặc mô men xoắn (cơ năng) để thực hiện công

có ích

cũng như làm mát dầu.

Trang 16

Hệ thống thủy lực

(Hydraulic system)

1 Bơm (Hydraulic pump)

2 Thùng chứa dầu (Tank)

3 Van một chiều (Check valve)

4 Van an toàn

(Pressure relief valve)

5 Xi lanh lực – cơ cấu chấp hành

(Hydraulic cylinder)

6 Van phân phối - van điều khiển

hướng (Directional control

valve)

7 Van tiết lưu - van điều khiển

lưu lượng (Flow control valve)

Trang 17

Sơ đồ truyền động khí nén:

Trang 18

Trang 19

200 bar p

08

M

t

27 26

24 23 b a

42

28 29

a a

b b

22 b 21 a 41

10 09

p t 46.1.2 47.1.2

49.1.2 49.1.1 48.1.2

50.1.2 51.1.2

54.1.2

53.1.1 54.1.1 53.1.2 52.1.2

200 bar 40

50 bar

Trang 20

ĐIỀU KHIỂN XY LANH THỦY LỰC

Đồng tốc xy lanh bằng van tiết lưu

20

Trang 21

Cơ cấu nâng hạ chi tiết sơn trong lò sấy

21

Trang 22

Cơ cấu kẹp chặt chi tiết gia công

1 Xi lanh; 2 Chi tiết; 3

Hàm kẹp

22

Trang 23

Máy khoan bàn

23

Trang 24

 Chiều dài: foot (ft)

 Khối lượng: slug=lb/(ft/sec^2)

1 N = 0,225 lb 1 lb = 4,448 N 1.4 CÁC HỆ ĐƠN VỊ ĐO

Trang 25

VAN ĐIỀU KHIỂN

KHÍ TỪ MÁY

NÉN

CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

- Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng.

- Các nguyên lý cơ bản của thủy lực.

- Các loại tổn thất trong đường ống.

Trang 27

Chất lỏng thủy lực có 4 chức năng chủ yếu sau:

1 Truyền công suất

2 Bôi trơn các bộ phận chuyển động

3 Làm kín khe hở giữa các bộ phận

4 Tản nhiệt

2.1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

Trang 28

γ(SG) 

2.1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG

Trang 29

14,7lb/in 2 (psi), 101,3 kPa.

Các tính chất vật lý cơ bản:

Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

Trang 30

- Mô đun đàn hồi thể tích:

V V

ở đây β = mô đun đàn hồi thể tích (psi, kPa),

Δp = lượng thay đổi áp suất (psi, kPa), ΔV= lượng thay đổi thể tích (in3, m3),

V = thể tích ban đầu (in3, m3)

Mô đun đàn hồi thể tích càng cao thì chất lỏng càng

ít chịu nén hay chất lỏng càng ‘cứng’

Trang 31

- Độ nhớt: là thuộc tính quan trọng nhất của chất lỏng thủy lực, là thước đo sức cản của chất lỏng đến dòng chảy

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 tổn thất áp suất qua các van và đường ống.

4 Tăng nhiệt độ gây ra do ma sát.

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.

Trang 32

Độ nhớt tuyệt đối   v/ y  F v//y A

τ = ứng suất trượt (sinh ra bởi lực F) gây nên sự trượt của các lớp dầu kề nhau, (lb/ft 2 , N/m 2 );

v = vận tốc của tấm chuyển động (ft/s, m/s);

y = chiều dày màng dầu (ft, m);

µ = độ nhớt tuyệt đối của dầu (dyn.s/cm 2 - poazơ (poise)

F = lực tác dụng lên tấm chuyển động bên trên (lb, N),

A = diện tích của bề mặt tấm chuyển động tiêp xúc với dầu (ft 2 , m 2 ).

TẤM DI CHUYỂN

TẤM CỐ ĐỊNH

BIỂU ĐỒ VẬN TỐC (ĐỘ DỐC = ) CHIỀU DÀY

MÀNG DẦU

y v

Trang 33

2.2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

2.2.1 Định luật Pascal :

“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 chất lỏng”

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, là cơ sở của truyền công suất và khuếch đại lực nhờ chất lỏng.

Trang 34

A

F A

F



1

2 1

2

A

A F

Trang 35

- Nếu không có chất lỏng được thêm vào hay lấy ra từ đường ống giữa hai vị trí 1 và 2:

v

2.2.2 Phương trình liên tục: Đối với dòng chảy ổn định trong đường ống, lưu lượng trọng lượng là như nhau cho tất cả các mặt cắt bất kỳ của đường ống.

Trang 36

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: Tổng năng lượng trong một lb

chất lỏng ở vị trí 1 bằng tổng năng lượng trong một lb chất lỏng ở vị trí 2:

g

v

p Z

g

v

p Z

2 2

2 2 2

2

2 1 1

Trang 37

Phương trình Bernoulli sửa đổi (gọi là phương trình năng lượng):

“Tổng năng lượng có trong khối chất lỏng 1 lb ở vị trí 1 cộng với năng lượng thêm vào bởi bơm trừ đi năng lượng lấy ra từ động cơ thủy lực trừ đi năng lượng mất mát do

ma sát, bằng tổng năng lượng có trong khối chất lỏng 1

lb khi nó đến vị trí 2”

g

v

p Z

H H

H g

v

p

2 2

2 2 2

2

2 1 1



2.2.3 Phương trình Bernoulli:

Trang 38

“ 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”

Trang 39

Chảy tầng:

- Chất lỏng chảy trong các lớp mỏng, các phần tử chất lỏng di chuyển theo các đường song song  không có sự va chạm của các phần tử.

- Ma sát là do sự trượt êm liên tục của một lớp hay phần tử chất lỏng này đối với lớp hay phần tử chất lỏng khác.

Tính tổn thất cột áp

Tổn thất cột áp (HL) trong một hệ thống thực tế bao gồm:

1 Tổn thất trong các ống

2 Tổn thất trong các van và chỗ nối

- Tổn thất trong ống tính bằng phương trình Darcy:HL  f    D L       v g   

Trang 40

Tổn thất trong van và đầu nối (K): (Thường cho trước)

Mất mát cột áp trong các van và đầu nối tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lỏng:

L f g

v

2 2

Trang 42

1 N = 0,225 lb 1 lb = 4,448 N CÁC HỆ ĐƠN VỊ ĐO

Trang 43

VAN ĐIỀU KHIỂN

KHÍ TỪ MÁY

NÉN

CHƯƠNG 2 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

- Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng.

- Các nguyên lý cơ bản của thủy lực.

- Các loại tổn thất trong đường ống.

Trang 45

Chất lỏng thủy lực có 4 chức năng chủ yếu sau:

1 Truyền công suất

2 Bôi trơn các bộ phận chuyển động

3 Làm kín khe hở giữa các bộ phận

4 Tản nhiệt

2.1 CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC

Trang 46

γ(SG) 

Trang 47

14,7lb/in 2 (psi), 101,3 kPa.

Các tính chất vật lý cơ bản:

Trang 48

- Mô đun đàn hồi thể tích:

V V

ở đây β = mô đun đàn hồi thể tích (psi, kPa),

Δp = lượng thay đổi áp suất (psi, kPa), ΔV= lượng thay đổi thể tích (in3, m3),

V = thể tích ban đầu (in3, m3)

Mô đun đàn hồi thể tích càng cao thì chất lỏng càng

ít chịu nén hay chất lỏng càng ‘cứng’

Trang 49

- Độ nhớt: là thuộc tính quan trọng nhất của chất lỏng thủy lực, là thước đo sức cản của chất lỏng đến dòng chảy

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 tổn thất áp suất qua các van và đường ống.

4 Tăng nhiệt độ gây ra do ma sát.

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.

Trang 50

Độ nhớt tuyệt đối   v/ y  F v//y A

τ = ứng suất trượt (sinh ra bởi lực F) gây nên sự trượt của các lớp dầu kề nhau, (lb/ft 2 , N/m 2 );

v = vận tốc của tấm chuyển động (ft/s, m/s);

y = chiều dày màng dầu (ft, m);

µ = độ nhớt tuyệt đối của dầu (dyn.s/cm 2 - poazơ (poise)

F = lực tác dụng lên tấm chuyển động bên trên (lb, N),

A = diện tích của bề mặt tấm chuyển động tiêp xúc với dầu (ft 2 , m 2 ).

TẤM DI CHUYỂN

TẤM CỐ ĐỊNH

BIỂU ĐỒ VẬN TỐC (ĐỘ DỐC = ) CHIỀU DÀY

MÀNG DẦU

y v

Trang 51

2.2.1 Định luật Pascal :

“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 chất lỏng”

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, là cơ sở của truyền công suất và khuếch đại lực nhờ chất lỏng.

Trang 52

A

F A

F



1

2 1

2

A

A F

Trang 53

- Nếu không có chất lỏng được thêm vào hay lấy ra từ đường ống giữa hai vị trí 1 và 2:

v

2.2.2 Phương trình liên tục: Đối với dòng chảy ổn định trong đường ống, lưu lượng trọng lượng là như nhau cho tất cả các mặt cắt bất kỳ của đường ống.

Trang 54

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: Tổng năng lượng trong một lb

chất lỏng ở vị trí 1 bằng tổng năng lượng trong một lb chất lỏng ở vị trí 2:

g

v

p Z

g

v

p Z

2 2

2 2 2

2

2 1 1

Trang 55

Phương trình Bernoulli sửa đổi (gọi là phương trình năng lượng):

“Tổng năng lượng có trong khối chất lỏng 1 lb ở vị trí 1 cộng với năng lượng thêm vào bởi bơm trừ đi năng lượng lấy ra từ động cơ thủy lực trừ đi năng lượng mất mát do

ma sát, bằng tổng năng lượng có trong khối chất lỏng 1

lb khi nó đến vị trí 2”

g

v

p Z

H H

H g

v

p

2 2

2 2 2

2

2 1 1



2.2.3 Phương trình Bernoulli:

Trang 56

“ 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”

Trang 57

Chảy tầng:

- Chất lỏng chảy trong các lớp mỏng, các phần tử chất lỏng di chuyển theo các đường song song  không có sự va chạm của các phần tử.

- Ma sát là do sự trượt êm liên tục của một lớp hay phần tử chất lỏng này đối với lớp hay phần tử chất lỏng khác.

Tính tổn thất cột áp

Tổn thất cột áp (HL) trong một hệ thống thực tế bao gồm:

1 Tổn thất trong các ống

2 Tổn thất trong các van và chỗ nối

- Tổn thất trong ống tính bằng phương trình Darcy:HL  f    D L       v g   

Trang 58

Tổn thất trong van và đầu nối (K): (Thường cho trước)

Mất mát cột áp trong các van và đầu nối tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lỏng:

L f g

v

2 2

Trang 60

1 N = 0,225 lb 1 lb = 4,448 N CÁC HỆ ĐƠN VỊ ĐO

Trang 61

 3.1 Giới thiệu chung

Trang 62

3.1.1 Khái niệm và phân loại máy thủy lực

Máy thủy lực là máy làm việc bằng cách trao đổi năng lượng với chất lỏng theo nguyên lý của thủy lực.

 Theo tính chất trao đổi năng lượng với chất lỏng :

- Bơm:

- Động cơ thủy lực:

 Theo nguyên lý tác dụng của máy với dòng chất

lỏng :

- Máy cánh dẫn (máy thủy động):

- Máy thể tích (máy thủy tĩnh):

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

2

Trang 63

Máy cánh dẫn

 Nguyên lý tác dụng tương hỗ

giữa cánh dẫn với dòng chất

lỏng

 Năng lượng chất lỏng trao đổi

với máy là năng lượng thủy

 Năng lượng chất lỏng trao đổi với máy chủ yếu là áp năng

 Dòng chảy không liên tục, Q và p thay đổi theo t, mức độ không đều phụ thuộc kết cấu máy.

 Bộ phận làm việc chính là piston hoặc rôto, có chuyển động tịnh tiến, quay, hoặc vừa quay vừa tịnh tiến

Chương 3: BƠM THỦY LỰC

3

Trang 64

3.1.2 Giới thiệu chung về máy bơm

Máy bơm là trái tim của một hệ thống thủy lực.

Chức năng: biến đổi cơ năng của động cơ dẫn động thành năng lượng chất lỏng.

Nguyên lý chung: hút chất lỏng từ bể chứa và đẩy chất lỏng vào hệ thống thủy lực

Bơm tạo nên chân không ở cửa vào => áp suất khí quyển đẩy chất lỏng qua cửa vào và vào trong bơm Sau đó bơm đẩy chất lỏng vào trong hệ thống thủy lực.

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

4

Trang 65

Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo của bơm ly tâm

Trang 66

Bơm hướng trục:

6

Trang 67

Ứng dụng của bơm thủy động

Trạm bơm nước sạch Trạm bơm nông nghiệp

7

Trang 69

So sánh: Bơm thể tích

 Loại bơm này đẩy ra một lượng chất lỏng cố định sau mỗi vòng quay của trục bơm.

 Lưu lượng ra của bơm không phụ thuộc áp suất của hệ thống.

 Các bơm này có khả năng thắng áp suất do tải tác dụng lên hệ thống cũng như sức cản lên dòng chảy

do ma sát.

 Bơm thể tích có thể làm việc với p cao và Q nhỏ.

 Đây là hai đặc trưng mong muốn của các bơm dùng cho các hệ thống truyền động thủy lực.

9

Trang 70

3.2.1 Nguyên lý chung và phân loại

Nguyên lý:

Khi được dẫn động bằng một động cơ, bơm thực hiện 2 chức năng

cơ bản: trước tiên, nó tạo ra áp suất chân không ở lối vào bơm, làm cho áp suất khí quyển đẩy chất lỏng từ thùng chảy vào bơm Sau đó, tác động cơ học của bơm chuyển chất lỏng qua bơm và đẩy nó vào hệ thống thủy lực.

Tiêu đề	Truyền động thủy lực – khí nén
Người hướng dẫn	GVC.TS Nguyễn Hữu Tuấn
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Truyền động thủy lực – Khí nén
Thể loại	Bài giảng

Định dạng
Số trang	311
Dung lượng	35,7 MB