Dịch chương 1 sách power hydraulics

Cùng với khí nén lưu thì chất lỏng với sức mạnh lưu chất bao gồm sử dụng dầu và chất lỏng khác Khí nói chung được sử dụng khi truyền lực thấp từ 10kN 1 tấn và với tốc độ nhanh mà ta muố

GIỚI THIỆU

Sự truyền và điều khiển năng lượng có nghĩa là áp suất của lưu chất trở thành ngày càng được sử dụng nhiều trong tất cả những ngày công nghiệp Cùng với khí nén lưu thì chất lỏng với sức mạnh lưu chất bao gồm sử dụng dầu và chất lỏng khác

Khí nói chung được sử dụng khi truyền lực thấp từ 10kN (1 tấn ) và với tốc độ nhanh mà

ta muốn Nơi có lực lớn ,cần điều khiển tốc độ chính xác,năng lượng trọng tỉ lệ trọng lượng lớn mà ta cần , hệ thống thuỷ lực được dung đến Năng lượng chất lỏng thì giới hạn bởi khí nén và thuỷ lực

Các thiết bị thuỷ lực từ con đội xe ,từ áp suất tác dụng một lực một nghìn tấn con rô bốt

đo được chính xác từ mi rô mét

1.1 Nguyên lí thuỷ lực

1.1.1 Tính chất lưu chất

Lưu chất bao gồm chất lỏng và khí đốt và vật chất với các phân tử chuyển động tự do .Với khí đốt là chất lỏng sẽ mở rộng ra lắp đầy các khoảng trống ;tỉ trọng của nó khác nhau dựa vào nhiệt độ và áp suất của nó Chất lỏng là lưu chất chảy theo dòng chịu tác dụng của trọng lực sẽ có hình dạng của vật chứa chẳng hạng như cách giảm khả năng năng lượng xuống thấp nhất Mật độ chất lỏng thay đổi rất nhỏ bởi nhiệt độ và áp suất

1.1.2 Đơn vị

Có nhiều hệ thống đơn vị được sử dụng nhiều ,trong đó có 3 hệ sử dụng phổ biến : (1) hệ thống Mertric dựa trên mét, kilogam, giây ;(2) hệ thống Imperial sử dung foot,pound , second;(3) hệ SI sử dụng mét , newton , giây.bảng 1.1 cho sự so sánh về về các đại lượng trong 3 hệ đơn vị này

1.1.3 Áp suất chất lỏng

Áp suất là lực trên một đơn vị diện tích

Áp suất =lực / diện tích

Đại lượng và kí

hiệu

Hệ

Chiều dài (l) Mét (m)

1m=39.37 in

Inch(in)

1 in=0.0254 m

Centimet (cm)

1 cm = 10−2 m

1m=3.281 ft Micro 1µm = 10−6m

Foot(ft)

1 ft=0.3048 m

Milimet (mm)

1 mm=10−3 𝑚

Diện tích (A) Met vuông (𝑚2)

1 𝑚2 = 1550 𝑖𝑛2

Inch vuông (𝑖𝑛2)

1 𝑖𝑛2=0.645 x

10−3𝑚2

1 𝑖𝑛2=6.45 𝑐𝑚2

Centimet vuông (𝑐𝑚2)

1 𝑐𝑚2 = 10−4𝑚2

Thể tích (V) Mét khối (𝑚3)

1 𝑚3 =220 gal

1 𝑚3 = 103 𝑙

Inch khối (𝑖𝑛3)

1 𝑖𝑛3=16.39x10−6𝑚3 Gallon (gal)

1 gal = 277.4 𝑖𝑛3 =0.00454 𝑚3 Foot khối (𝑓𝑡3)

1 𝑓𝑡3=6.24 gal

Centimet khối ((𝑐𝑚3)

1 𝑐𝑚3 = 10−6𝑚3 Lít (l)

1 l = 10−3𝑚3

Lưu lương (q) Mét khối trên giây

(𝑚3/𝑠) 1𝑚3/𝑠 =13.2 x

103gal/min

Inch khối trên phút (𝑖𝑛3/min )

Gallons trên phút (gal/min)

Lit trên phút (l/min)

Vận tốc (v) mét trên giây (m/s) feet trên giây (ft/s) mét trên phút (m/min)

Gia tốc ( a) mét trên giây bình

phương ( m/s2)

feet trên giây bình phương (ft/s2)

mét trên giây bình phương ( m/s2)

Khối lượng (M) Kilogam (kg)

1kg=2.2lb

pound (lb) 1lb=0.4536 kg

kg.s2/m=9.807 kg (kg.s2/m)

Lực hay trọng

lượng (F.P)

1 lbf=4.45 N

Lực (kp) (kgf)

1 kp= 1 kgf= 9,81 N

Momen (M)

(T)

Niu_tơn mét (Nm) Lực pound feet (ft

lbf)

1 ft lbf=1.356 Nm

Lực mét (kpm) (kgfm)

1 kpm=1kgfm=

9.81Nm

Áp suất (P) Niu_tơn trên mét bình

(N/m2) 1bar=105 N/m2

1 Pa (Pascal) = 1 N/m2

Lực pound trên mét inch bình ( lbf/in2)

1 lbf/in2= 6897 N/m2

Lực trên centimet bình (kgf/cm2) ( kp/cm2)

1 kgf/cm2= 9.81*104 N/m2

Công (A)

(W)

Jun (J)

1 J= 1 Nm\

Lực pound feet (ft lbf)

1 ft lbf= 1.356 J

Lực mét (kpm) (kgfm)

1 kgfm=9.81 J

Công suất (P)

(N)

Wat (W) 1W= 1 Nm/s

Lực pound feet trên giây ( ft lbf/s)

1 ft lbf= 1.356 W

Mã lực (hp)

1 hp= 7.45 W

mã lực metric (PS) (ch)

1 PS = 1 ch = 75 kpm/s = 735.5 W

Định luật Pascal nói rằng áp suất trong lưu chất sẽ tuân theo :

1 Áp suất sẽ tác động giống nhau trong mọi điểm của một lưu chất khi ở trạng thái nghỉ

bỏ qua tác động của khối lượng lưu chất

2.Áp suất tĩnh tác động như nhau theo các hương giống nhau

3.Áp suất luôn tác động vuông góc (900) với bất kì mặt phẳng tiếp xúc với lưu chất Trong hệ thống lưu chất cho thấy ở hình 1.1 một tải lớn W được cân bằng bởi một lực nhỏ F tại một hệ ống Xét áp suất tải W tác động:

Áp Suất =Tải / Diện tích =W/A

Áp suất tác động lên lực F

Áp suất =Lực / Diện tích =F/a

Khi hệ thống được cân bằng thì áp suất phần lớn và phần nhỏ phải bằng nhau

W/A=F/a hoặc W/F=A/a

Vì thế sự cân bằng về tỉ số của tải và diện tích bằng nhau Đó có thể được so sánh như một hệ thống đòn bẫy Nói về moomen tại điểm tựa:

Wa=FA Hoặc W/F=A/a

Sự nâng lên của tải W bởi hệ thống thuỷ lực ,dòng chảy chất lỏng chảy từ nơi có chênh lệch chiều dài nhỏ hơn sang nơi có chênh lệch chiều dài lớn hơn Thu được dòng chảy có

áp suất khác nhau ngang qua ống kế nói 2 phần lại , nếu tang W thì lực của nó sẽ tăng một lượng nhỏ ΛF,

Nếu tăng đọ chênh lệch L của tải ,lưu chất phải thay thế độ chênh lệch nhỏ (l1) thành một khoảng lớn hơn (l2)(l1<l2)

Thể tích thay thế V=A x L =a x l

Công bằng lực trong một thời gian với khoảng cách mà dòng chảy đi qua ,trong tường hợp trọng lượng được nâng lên cao nhất

Công = 𝑊 × 𝐿

Nhưng,

Áp lực 𝑃 = 𝑊/𝐴

Nên Công = 𝑃 × 𝐴 × 𝐿

Hay Công = Áp lực × Thể tích

Áp lực trên một cột chất lỏng:

Áp suất chất lỏng gây nên trên bề mặt đáy của nó phụ thuộc vào khối lượng, mực chất lỏng càng cao thì áp lực càng lơn Xét bài toán tính áp suất chất lỏng trên một cột chất lỏng có tiết diện 𝐴 và chiều cao ℎ Cho rằng đơn vị khối lượng trên một đơn vị thể tích là

𝑤

Khối lượng của cột chất lỏng = Thể tích x Khối lượng riêng

= 𝐴ℎ × 𝑤

VD 1.1:

Cho đầu vào của một bơm thuỷ lực là 0.6 𝑚 dưới bề mặt của bể dầu Nếu khối lượng riêng của dầu là 0.86, hãy xác đinh áp lực tĩnh của bơm

Áp lực = 𝑤ℎ

Khối lượng riêng của nước là 1 𝑔/𝑐𝑚2 hay 1000 𝑘𝑔/𝑚2

Vì thế khối lượng riêng của dầu là 0.86𝑔/𝑐𝑚2 hay 860 𝑘𝑔/𝑚2

Áp lực tại đầu bơm = 860 × 0.6 𝑘𝑔/𝑚2

= 516 𝑘𝑔/𝑚2

= 0.0516 𝑘𝑔/𝑐𝑚2

= 0.0516 × 0.981 𝑏𝑎𝑟

= 0.0506 𝑏𝑎𝑟 Lưu ý : 1 𝑘𝑔

𝑐𝑚 2 = 0.981 𝑏𝑎𝑟

1.1.4 Dòng lưu chất:

Trong mọi hệ thống, ma sát luôn cản trở chuyển động Để một vật chuyển động, ta cần tác dụng một lực để thắng lại ma sát cản Trong một đường ống, cần phải có sự chênh lệch áp lực giữa đầu và cuối ống để xảy ra sự chảy, từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp

Áp suất khác nhau càng lớn, tốc độ dòng chảy càng cao Bất cứ khi nào có áp suất sụt trong ống sẽ có dòng chảy, và ngược lại mọi dòng chảy sẽ được đi cùng bởi sự sụt áp suất Vận tốc dòng trong ống thấp sẽ ít bị cản khi chuyển động, tất cả phân tử dòng chất lỏng sẽ di chuyển cùng hướng Khi vận tốc dòng quá một giá trị nhất định, mô hình dòng chảy thay đổi thành hỗn loạn mà phân tử chất lỏng không còn di chuyển cùng hướng Cho một dòng chảy có sự sụt áp hoặc lực ma sát của ống thì:

(a) Tỉ lệ với chiều dài và đường kính của ổng

(b) Tỉ lệ với khối lượng dòng chảy

(c) Độc lập với áp suất hệ thống

(d) Độc lập với độ nhám bề mặt

(e) Phụ thuộc vào độ nhớt dòng chảy, mà đó là hàm nhiệt độ

Trong điều kiện dòng chảy hỗn loạn áp suất giảm trong ống thì:

(a) Tỉ lệ với chiều dài và đường kính của ổng

(b) Tỉ lệ với lưu lượng dòng chảy

(c) Độc lập với áp suất hệ thống

(d) Phụ thuộc vào độ nhám bề mặt ống

(e) Độc lập với độ nhớt dòng

Để đạt được hiệu quả tối đa trong hệ thống thủy lực, kích thước ống được chọn để tạo ra dòng chảy hợp lí Một tài khoản đầy đủ của dòng chảy chất lỏng trong ống có thể được tìm thấy trong bất kì cuốn sách văn bản thủy lực tiêu chuẩn

Tập hợp tất cả các đường cong liên quan đến giảm áp suất, đến tốc độ dòng chảy cho một loạt đường kính ống thể hiện trong hình 1.2 Đường cong đầy đủ liên quan đến giảm áp suất, đến tốc độ dòng chảy cho độ nhớt khác nhau và trọng lượng riêng được nêu chi tiết trong sách tham khảo (xem thêm đọc ở cuối sách này)

Như một hướng dẫn sơ bộ, vận tốc dòng chảy trong một đường hút của bơm phải ở giữa 0.6 và 1.2 m/s (2 và 4 ft/s), trong áp lực và dòng trở lại giữa 2.1 và 4.6 m/s (7 và 15 ft/s) Vận tốc dòng chảy trong van và qua lỗ có thể vượt quá giá trị này

Ví Dụ 1.2

Tính toán các lỗ ống cần thiết cho các đường hút và đường áp lực của máy bơm cung cấp 40l/min với tốc độ dòng chảy tối đa trong đường hút 1,2m/s và tốc độ dòng chảy tối đa trong đường áp suất 3,3m/s

 xem xét đường hút:

lưu lượng = vận tốc trung bình * diện tích bề mặt

Diện tích bề mặt ống = lưu lượng chảy qua ống

𝑉ậ𝑛 𝑡ố𝑐 𝑑ò𝑛𝑔

Lưu lượng = 40 l/min = 40/60 l/s = 40/60 x 10−3 𝑚2

Diện tích bề mặt ống = 40∗10

−3 60∗1.2 𝑚2 = 0.555 x 10−3 𝑚2

 Đường kính tối thiểu của lỗ khoan :

Diện tích bề mặt ống =𝜋 𝐷2

4 = 0.555 x 10−3 𝑚2

Do đó: D= (4

𝜋∗ 0.555 x 10−3)1/2 = 0.0266 m = 26.6mm

Đường kính bé nhất của ống hút = 0.0266 m= 26.6 mm

Lưu ý trong tất cả các tính toán phải hết sức cẩn thận để đảm bảo rằng các đơn vị là chính xác

Tuy nhiên, nếu tốc độ dòng chảy là 1m/s được sử dụng thì đường ống hút có thể có

đường kính là 29mm

Đường kính yêu cầu của đường áp suất có thể được tính theo cách tương tự với tốc độ dòng chảy là 3,5m / s ở đây lỗ khoan tối thiểu của ống áp lực = 15.6mm

Không chắc là một đường ống có lỗ khoan chính xác sẽ có sẵn, trong trường hợp đó chọn một đường ống tiêu chuẩn có lỗ khoan lớn hơn Tuy nhiên, một ống lỗ nhỏ hơn có thể được chọn nhưng sẽ cần phải kiểm tra lại phép tính để đảm bảo tốc độ dòng chảy nằm trong phạm vi cho phép Một ống tiêu chuẩn có đường kính ngoài là 20 mm và độ dày thành 2,5mm là có thể sử dụng được Cái này sẽ cho đường kính trong là 15mm

Vận tốc dòng = lưu lượng chảy qua ống / diện tích lỗ ống

Do đó diện tích lỗ ống là = 𝜋

4152 𝑚𝑚2 = 177𝑚𝑚2 =177 ∗ 10−6 𝑚2

Vận tốc dòng chảy = 40∗10

−3 60∗177∗10 −4 (𝑚3

𝑠𝑚 2) = 3.77 m/s Thỏa với điều kiện dòng chảy ( 2.1m/s → 4.6m/s)

Chúng ta cũng cần phải đảm bảo rằng độ dày thành ống là đủ để chịu được áp lực dòng chảy của chất lỏng

1.1.5 Công được thực hiện

Công được thực hiện bởi một lực được định nghĩa bằng công thức:

Công = Lực * Quãng đường

Nếu diện tích mặt cắt của piston của hệ thống xylanh thủy lực là A, áp suất tác dụng lên

piston là P và hành trình của piston là L thì

Lực tác dụng lên piston = Áp suất * Diện tích mặt cắt = P * A

Vì vậy công thực hiện được là: P * A * L

Trong đó, A * L là thể tích V của dòng lưu chất chảy trong xylanh để đẩy piston

đi tới Do đó: Công được thực hiện = P * V = Áp suất * Thể tích

Nếu áp suất và thể tích được đo bằng pascals (N/m2) và mét khối (m3) thì công được thực

hiện được đo bằng newton mét (Nm)

Công được thực hiện = P * V (N/m 2 * m 3 ) = P * V (Nm)

Công suất là tốc độ thực hiện công, tức là công được thực hiện trong một đơn vị thời

gian (P * V trên mỗi đơn vị thời gian) Thể tích V trên mỗi đơn vị thời gian nghĩa là lưu

lượng Q Suy ra:

Công suất thủy lực = P * Q (N/m 2 * m 3 /s) = P * Q (Nm/s) = P * Q (watts)

Lưu ý: 1Nm/s = 1watts

Thông thường thì lưu lượng và áp suất được dùng bằng đơn vị lít/phút và bar Để tính

công suất thủy lực mà dùng những đơn vị trên, cách đổi đơn vị đã được đưa ra

Q (l/min) = Q/60 (l/s) = Q/(60*10 3 ) (m 3 /s) và P (bar) = P * 10 5 (N/m 2 )

Công suất thủy lực = Q (l/min) * P (bar) * (1 * 10 5 )/(60 * 10 3 ) (m 3 /s * N/m 2 )

= Q * P * 10 3 /600 (Nm/s hoặc watts) = (Q * P)/600 (kW)

VÍ DỤ 1.3:

Một bơm thủy lực vận chuyển 12 lít lưu chất mỗi phút dưới một áp suất 200 bar

1 Tính công suất thủy lực của bơm

2 Cho biết hiệu suất toàn phần của bơm là 60%, hãy chọn loại động cơ điện phù hợp để

vận hành bơm

GIẢI Công suất thủy lực (kW) = (12 (l/min) x 200 (bar))/600 = 4 kW

Hiệu suất toàn phần = Năng lượng đầu ra của bơm / Năng lượng cấp vào

Suy ra: Năng

lượng của motor điện (năng lượng cấp vào) = Công suất thủy lực/Hiệu suất

= 4/0.6 = 6.67 kW

Một bảng tổng hợp công thức được dùng trong công suất thủy lực được đưa ra trong mục

6.2 của chương 6

1.2 Các ký hiệu trong thủy lực:

Các thành phần thủy lực được thể hiện bằng các kí hiệu để dễ dàng biểu diễn trên bảng vẽ thủy lực Các kí hiệu dùng trong sách này được dựa trên tiêu chuẩn Anh – British Standard BS 2917 1977 (ISO 1219:1976) Các kí hiệu được dùng để biểu diễn các loại và chức năng của các thành phần liên kết và đường dẫn Các kí hiệu đơn giản có thể được kết hợp với nhau Họ không đưa ra 1 tiêu chuẩn nào về kích thước hay quy định cụ thể cho bất kì trường hợp nào Các phần tử điều khiển được thể hiện trên các bộ phận, nó không đại diện cho vị trí thực sự của thiết bị

Kí hiệu mũi tên xuyên qua các yếu tố thể hiện sự có thể điều chỉnh hoặc thay đổi được

Đường nét liền biểu diễn đường dẫn dầu Nó không chỉ ra bất kìa thông tin nào về

áp suất Ống có thể là ống hút, đẩy hoặc hồi dầu về bể chứa

Đường dầu rò lấy chất lỏng rò rỉ từ các thành phần trở lại bể chứa được biểu diễn bằng các đường gạch ngắn

Đường dầu điều khiển là đường được dùng để truyền tính hiệu ấp suất từ một điểm đến các điểm khác với lưu lượng nhỏ và được biểu diễn bằng đường nét đứt dài

Trong nhiều sơ đồ thủy lực bao gồm cả sách này, ống dầu rò và đường điều khiển được vẻ như nhau, bởi vì giữa chúng có sự khác nhau rõ ràng ở chức năng Đường dầu rò luôn nối về bể chứa

Van 1 chiều hoặc van kiểm tra gồm 1 viên bi cầu được đống chặt bằng 1 lò xo Nó được biểu diễn qua hình:

Nếu giá trị áp suất tại đó van 1 chiều (van kiểm tra) mở là quan trong thì lò xo được thể hiện trong sơ đồ:

Van kiểm tra được điều khiển từ xa:

Trong trường hợp này, thiết bị điều khiển dùng để nhắc viên bị khỏi vị trị và cho phép dòng chất lỏng đi qua bình thường Chiếc van được biết đến như là 1 van kiểm tra

có thể điều khiển

Tương tự, thiết bị điều khiển có thể được dùng

Việc định hướng điều khiển van được thể hiện bằng số ô vuông : nếu có 2 ô vuông thì van có 2 trạng thái hoặc 2 vị trí có thể áp dụng:

Các ống được kế nối với nhau được thể hiện qua chỉ một ô vuông duy nhất; điều này thường chỉ trạng thái không hoạt động của van Nếu có 2 cổng van thì sẽ có 2 cổng kết nối và có thể đóng hoặc mở Có 2 trạng thái là:

Việc kết nối với nhau và thể hiện nguồn gốc của van thường mở

Phần lớn việc điều khiển định hướng của van được sử dụng van 4 cổng

Các cổng được xác định bở những chữ cái: P là cấp nguồn hoặc áp lực: T là trở lại; A và

B là các cổng ra Trong ô vuông bên trái, P kết nối với A và B đến T; điều này đôi khi như việc “ kết nối dòng điện” Bên phía ô vuông bên tay phải, P kết nối với B và A đến T; nó cung cấp sự kết nối và đôi lúc được gọi là “ đảo chiều” Để hình dung quá trình mở của điều hướng điều khiển van bên trong ống- công việc của van được mô tả và các ô vuông đi chuyển qua

Định hướng điều khiển van có thể làm thủ công, cơ khí, điện lực, khí nén hoặc thủy lực Phương pháp hoạt động được thể hiện vào hình vuông cuối mà nó thể hiện hoạt động của van, mặc dù đó có lẽ không là chức năng vật lí

Van hai cổng được giữ bình thường bằng lò xo Đòn bẫy (lever) hoạt động để đóng

Van hai cổng được giữ bình thường bằng lò xo Điện từ (solenid) hoạt động để mở

Bốn cổng, ba vị trí trung tâm trung tâm lò xo, điều khiển điện từ, điều khiển thủy lực được vận hành, với cổng áp suất bị chặn và A,B và T liên kết với nhau trong trạng thái trung tâm

Một van điều khiển áp suất có thể ở bất kì vị trí nào giữa mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn Một van điều khiển áp suất biểu diễn dưới dạng hình chữ nhật duy nhất với một đường hoặc đường dẫn qua nó Nó có thể thường

mở hay thường đóng trong trạng thái nghỉ, phụ thuộc vào chức năng của van