Thuỷ lực và khí nén

LOGO “ Add your company slogan ” Thuỷ lực và khí nén Le Anh Son Bộ môn Động lực_Trường Đại học Nông nghiệp I Mở đầu, cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ khí Truyền động cơ học1 Truyền động điện2 Truyền động thuỷ lực3 Truyền động khí nén4 Động cơ Hệ thống truyền động Máy hay thiết bị Cần dẫn động Me, e Ma, a, (Fa, va) Sơ đồ nguyên lý một hệ thống truyền lực Truyền động thuỷ tĩnh Truyền động thuỷ động Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền động thuỷ lực  Công suất cơ học (vào): Pch1 =2 M1n1  Công suất thuỷ lực: Prl = pQ  Công suất cơ học (ra): Pch2 = Fv hoặc Pch2 = 2 M2n2 Máy động lực (Động cơ điện hoặc động cơ đốt trong) Máy công tác (máy nén ép hoặc truyền lực chuyển động của xe hơi) B¬m thuû lùc §-êng èng Phô kiÖn PhÇn tö ®iÒu khiÓn Xy lanh thuû lùc hoÆc ®éng c¬ thuû lùc ChuyÓn ®æi c«ng suÊt c¬ häc C«ng suÊt thuû lùc Prl= p.Q 1 1chP M  ChuyÓn ®æi c«ng suÊt c¬ häc Pch= F.v hoÆc C«ng suÊt thuû lùc Prl= pQ 2 2chP M  M1 n1 F v M2 n2 Sơ đồ truyền công suất trong một thiết bị thuỷ lực Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền động thuỷ lực Truyền động cho một xy lanh thuỷ lực Ưu nhược điểm của truyền động thuỷ lực  Ưu điểm của truyền động thuỷ lực  Kết cấu đơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn  Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý đến vị trí của liên hợp cơ học  Truyền lực lớn khi thể tích kết cấu tương đối nhỏ do có trọng lượng trên đơn vị công suất của bơm và động cơ nhỏ (trọng lượng công suất của động cơ thuỷ lực so với động cơ điện là 1/10)  Tính chất động lực học khá tốt (tăng tốc, giảm tốc) do mô men quán tính của động cơ thuỷ lực nhỏ (tỷ lệ mô men quán tính so với động cơ điện cùng mô men quay là 1/50)  Chuyển đổi đơn giản chuyển động quay thành chuyển động dao động và ngược lại Truyền động cho một động cơ thuỷ lực Ưu nhược điểm của truyền động thuỷ lực  Đảo chiều đơn giản  Thay đổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng (đặc biệt có lợi cho các máy tự hành)  Bảo vệ quá tải đơn giản nhờ van giới hạn áp suất  Giám sát đơn giản nhờ áp kế  Có khả năng tự động hoá chuyển động dễ dàng.  Nhược điểm của truyền động thuỷ lực:  Hiệu suất thấp so với truyền động cơ học, do ma sát của chất lỏng trong đường ống và các phần tử, do hao tổn lọt dòng trong các khe hở lắp ghép  Không thể (hay khó) đồng bộ quá trình chuyển động do hiện tượng trượt giữa phần chủ động và phần thụ động, do hao tổn lọt dòng và tính chịu nén của dầu  Chi phí chế tạo cao do yêu cầu độ chính xác cao của các phần tử trong hệ thống thuỷ lực. Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền động khí nén  Ứng dụng khí nén trong kỹ thuật truyền động:  Truyền chuyển động va đập  Truyền động quay: công suất nhỏ 100000V/ph  Truyền động thẳng  Truyền động lắc Ưu nhược điểm của kỹ thuật khí nén  Ưu điểm  Khí nén có khả năng lưu giữ và vận chuyển thuận lợi đến những địa điểm cần thiết  Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa nên có khả năng điều khiển từ xa và linh động trong việc bố trí các phần tử cấu trúc, khí thải có thể dẫn trực tiếp ra môi trường  Chi phí đầu tư thấp do có thể kết nối với hệ thống khí nén trong xí nghiệp;  An toàn tốt do có thể bố trí van giới hạn áp suất  Có thể khởi hành với tần số quay thấp và rất an toàn khi quá tải  Tuổi thọ cao  Dễ thay thế các phần tử của hệ thống  Có thể thay đổi vô cấp vận tốc và tần số quay.  Nhược điểm  Chỉ làm việc được với tải trọng nhỏ  Vận tốc chuyển động phụ thuộc vào tải trọng do tính chịu nén của không khí  Ảnh hưởng không tốt đến môi trường do ồn và khí thải có dầu  Vận tốc truyền và xử lý tín hiệu chậm. Chất lỏng thuỷ lực  Nhiệm vụ và yêu cầu của chất lỏng thủy lực: Nhiệm vụ Truyền lực Lưu thông dòng dầu có áp từ bơm đến bộ truyền lực Bôi trơn, chống gỉ Và làm mát Chất lỏng thuỷ lực  Nhiệm vụ và yêu cầu của chất lỏng thủy lực: Yêu cầu Tính chất nhiệt độ - độ nhớt hợp lý,độ nhớt thay đổi ít trong khoảng thay đổi nhiệt độ rộng Chống mòn và bôi trơn tốt Chống rỉ tốt, thích ứng với các phốt làm kín, cao su, vật liệu nhân tạo và hợp kim Độ bền lão hoá tốt Khả năng tách bọt khí tốt Chất lỏng thuỷ lực  Phân loại chất lỏng thuỷ lực: Dầu khoáng được phân loại theo độ nhớt (Viscosity – VG) • Bảng 1.1 Phân loại độ nhớt ISO đối với dầu thuỷ lực theo DIN E51524 Chất lỏng thuỷ lực khó cháy phân loại theo vùng độ nhớt • Bảng 1.2. Phân loại độ nhớt chất lỏng thuỷ lực khó cháy • Bảng 1.3. Tổng hợp các số liệu quan trọng nhất của chất lỏng thuỷ lực Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Tính chất nhớt h vx= 0 y x vxp vx(y) Hình 1.4. Phân bố vận tốc chất lỏng giữa hai tấm phẳng song song ( ) xpx VV y y h  x dV dy    + Độ nhớt động lực học : Đơn vị Ns/m2 hoặc Pa.s hoặc Poise + Độ nhớt động học : Đơn vị m2/s hoặc St (Stoke)     Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Tính chất nhiệt độ - độ nhớt ( ) b cke    ln ( ) ln b k c       Hoặc Độ nhớt động học  0 100 200 300 400 600 0 20 40 60 0C 100 mm2 s Nhiệt độ  Độ nhớt động học  Nhiệt độ  10000 120 5 ISO VG32 22 10 ISO VG100 62 46 10 20 50 100 200 500 1000 mm2/s 0 0 20 40 60 0C80 Sự thay đổi độ nhớt  theo nhiệt độ (HL 46, VI 100, p0 = 1 bar) Biểu đồ Ubbelohde để xác định tính chất độ nhớt – nhiệt độ (ISO VG 10./.100, VI 100, p0 = 1 bar) Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Tính chất nhiệt độ - áp suất - độ nhớt Độ nhớt động học  Hình 1.7. Biểu đồ xác định tính chất nhiệt độ – áp suất – độ nhớt (HL 46, VI 100) p=601 bar 401bar 0 20 40 60 80 1200C 0 5 10 20 30 50 100 200 500 1000 10000 mm2/s Nhiệt độ  p =201 bar 1bar ( ) ( ) op p P oe    Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Tính chất khối lượng riêng m V   Biểu đồ biểu diễn tính chất khối lượng riêng – áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ (HL 46, VI 100) 0 0C 0,80 0,94 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 g/cm3 0 100 200 300 400 500 bar 700 100 80 60 40 0 Áp suất p Khối lượng riêng  Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Tính chất nhiệt độ – khối lượng riêng  Tính chất áp suất – khối lượng riêng 0 0 ( ) 1 ( )          Hệ số giãn nở nhiệt: 0 0( ) V V       0 0 ( ) 1 ( ) p k p p      Hệ số nén 0 0( ) V k V p p    Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực  Khả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ lực • Không khí hoà tan • Không khí không hoà tan, có nghĩa là ở dạng bọt khí. Khả năng tiếp nhận cực đại ở dạng hoà tan: 0 kk d p V V p  Tính chất khí nén kỹ thuật  Thành phần hóa học của không khí + hơi nước, bụi bẩn, tạp chất  Tính chịu nén của không khí N2 O2 Ar CO2 H2 Ne.10 -3 He.10-3 Kr.10-3 X.10-6 Thể tích (%) 78,08 20,45 0,93 0,03 0,01 1,8 0,5 0,1 9 Khối lượng % 75,51 23,01 0,04 1,286 0,001 1,2 0,07 0,3 40 Chịu nén Đàn hồi Tích luỹ năng lượng Tính chất khí nén kỹ thuật • Mô đun đàn hồi Hình 8.1. Quá trình nén một thể tích khí L dp E V dV   Giả thiết với quá trình đa biến: pVn= K = const 1L n n Kn Kn E V np V V    2 2 0 L L A A A c E np np V V x x     2 L dp c A dV   Độ cứng • Khả năng tích luỹ năng lượng Tính chất khí nén kỹ thuật  Độ nhớt của khí nén Độ nhớt động lực học Độ nhớt động học  = N 3/ 4 N T T       N là độ nhớt của không khí khi TN=273,15 0 K và pN=1,0133bar Hình 8.2. Độ nhớt động lực học của không khí và nước     Trong đó p RT   Tính chất khí nén kỹ thuật  Độ ẩm của không khí • Hàm lượng nước trong không khí Hình 8.3. Đồ thị quan hệ giữa lượng ẩm bão hòa với nhiệt độ và áp suất Hình 8.4. Thí dụ tính toán lượng nước tách ra khi nén khí 0,622D D L DP L L D D m p R p x m p R p p     • Ở trạng thái bão hoà 0,622 ss s p x p p   Tỷ lệ giữa hàm lượng nước trong không Khí với hàm lượng nước của không khí bão hoà:     D s sD s s D D p p p p px x p p p p p          Trong đó φ là độ ẩm tương đối của không Khí: D S p p   Trong điều kiện khí quyển pD và pS rất nhỏ so với áp suất khí quyển nên có thể bỏ qua trong tính toán. D D s s x p x p     Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh  Tính chất thuỷ tĩnh • Chất lỏng lý tưởng:  không ma sát,  không chịu nén,  không giãn nở  Tryền áp lực vuông góc • Áp suất tác động: • Áp suất tạo ra từ lực ngoài trong thiết bị thuỷ tĩnh. Giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân: • Chuyển đổi năng lượng nhờ xylanh p h p Hình 1.9. Phân bố áp suất trong thùng chứa chất lỏng lý tưởng F p A Hình 1.10. Lực tác động lên pít tông của một xy lanh thuỷ lựcp gh F p A  1 2 1 2 F F p A A   F2 S1 S2 A1 A2 F1 Hình 1.11. Sơ đồ thiết bị nâng thuỷ lực 1 2 2 1 v A v A  P FvCông suất: F ApDo Q v A và P pQ Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh  Chuyển đổi năng lượng chuyển động quay Thể tích choán chỗ: V=2πrA Lưu lượng: Q=V.n Mô men quay: M=pAr Công suất vào hoặc ra: P=Mω=M2πn P=pQ 2 pV M   2 pQ M n hoặc Hình 1.12. Bơm thuỷ lực cánh quay 1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay. r p1 M1 1 2 A1  3 Cơ sở thuỷ động lực học  Phương trình liên tục Bỏ qua sự thay đổi của khối lượng riêng A1V1=A2V2  Phương trình Bernoulli m Av 1 1 1 2 2 2Av A v  2 2 1 1 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 v v p gh p gh         Đối với chất lỏng không chịu nén: 2 2 v p gh const     1 2  Trong kỹ thuật, bỏ qua thế năng 2 2 v p const    Hình 1.13. Dòng chảy qua ống thu hẹp m1 Q1 v1 A1 v2 A2 m2 Q2 h2 h1 v1 v2 p1; Q1 p2; Q2 1 2 Hình 1.14. Dòng chảy qua hai mặt cắt khác nhau Cơ sở thuỷ động lực học  Hao tổn áp suất trong đường ống 2 1 2 2 R l v p p p d      (Re)R f  Re vd vd     p1 p2 < p1 l 1 2 Hình 1.15. Hao tổn áp suất trên ống thẳng p Hình 1.16. Biểu đồ tổng hợp sức cản dòng chảy R Cơ sở thuỷ động lực học  Trường hợp chảy tầng đẳng nhiệt Hình 1.17. Biểu đồ tính toán sức cản dòng chảy thuỷ lực dầu 64 Re R  r x vmax v p2p1 y l p   y2 Hình 1.18. Profil vận tốc khi chảy tầng Cơ sở thuỷ động lực học  Trường hợp chảy tầng không đẳng nhiệt 2 2 S X R l v p K K d    Hình 1.19. Nhiệt độ, độ nhớt và vận tốc dòng chảy qua mặt cắt khi chảy đẳng nhiệt và không đẳng nhiệt v Đẳng nhiệt Không đẳng nhiệt Yếu tố K-S (hình 1.20) tính đến sự thay đổi nhiệt độ và độ nhớt theo các mặt cắt ngang Yếu tố KX (hình 1.21), tính đến ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ và độ nhớt theo chiều dài Cơ sở thuỷ động lực học  Trường hợp chảy rối đẳng nhiệt Re1 2log 2,51 R R   Công thức Prandt: vmax v Hình 1.22. Profil vận tốc khi chảy rối 0,250,3164.ReR Trong kỹ thuật có thể dùng: Hình 1.23. Biểu đồ xác định yếu tố kt cho dòng chảy rối không đẳng nhiệt  Trường hợp chảy rối không đẳng nhiệt 2 2 t R l v p k d    Cơ sở thuỷ động lực học  Hao tổn áp suất cục bộ Hình 1.25. Các dạng nối ống2 2 v p    Hệ số cản cục bộ  có thể xác định bằng thực nghiệmcho các phần tử tiêu biểu. Một số giá trị  đối với các trường hợp trên hình 1.24 và hình 1.25 được cho trên các bảng 1.4 đến bảng 1.7. 2 2 v p b   Dòng chảy rối: Cơ sở thuỷ động lực học  Hao tổn áp suất trong van và các thiết bị thuỷ lực: Tính theo các đặc tính cho bởi nhà sản xuất.  Lưu lượng qua van tiết lưu • Lưu lượng lý thuyết • Lưu lượng kỹ thuật D d p1 p2 v Hình 1.27. Tấm chắn để đo lưu lượng 2 D p Q A    2 D p Q A    Cơ sở thuỷ động lực học  Hao tổn lọt dòng • Khe hở phẳng • Khe hở đúng tâm • Khe hở lệch tâm • Đường kính mao dẫn Hình 1.28. Các dạng khe hở tiêu biểu trong kỹ thuật thuỷ lực 3 1 2 12 L p pb Q l     3 1 2 12 L p pd Q l      3 31 2 (1 1,5 ) 12 L p pd Q l        4 1 2 128 L p pd Q l     Cơ sở thuỷ động lực học  Lực tác động của dòng chất lỏng • Lực va đập vào tấm phẳng: • Lực trên ống cong: • Lực tác dụng trên vỏ vòi phun: Hình 1.29. Lực dòng chảy tại các phần tử cấu trúc a) Tấm phẳng ; b) ống cong ; c) Vòi phun sinF Qv  2( )cos 2 F pA Qv    2 2 1( 1) 2 v F A    với 1 2 A A   Các định luật dòng khí  Dòng khí qua vòi phun lý tưởng Giả thiết:  Không ma sát, dòng chảy đoạn nhiệt  Vòi phun tròn đều tại cửa ra của bình kín  Không có công kỹ thuật cấp vào  Không có ảnh hưởng của thế năng Vận tốc khí cửa ra: Lưu khối dòng khí: Hình 8.5. Bình kín có vòi phun với áp suất ra điều khiển được 1 1 2 2 1 1 2 1 1 K Kp pK v K p              2 1 2 2 2 1 1 1 1 2 1 K K Kp pK m A p K p p                      2 1 12m A p  2 1 0 1 2 L m A p R T hoặc Các định luật dòng khí  Dòng khí qua vòi phun lý tưởng Hàm thoát  phụ thuộc vào tỷ lệ áp suất, các quá trình tính toán, phân tích vận tốc tới hạn và tỷ lệ áp suất tới hạn đọc trong giáo trình Hình 8.6. Hàm thoát  phụ thuộc tỷ lệ áp suất Các định luật dòng khí  Dòng khí qua tấm chắn Hình 8.7. Dòng khí qua tấm chắn 2 0 k A A  Hệ số sự co thắt: 0 1 A m A Tỷ lệ mở: 2 1 1 2 Dm A p RT   Lưu khối dòng khí: Hình 8.8. Đặc tính dòng chảy qua tấm chắn so với vòi phun lý tưởng Hệ số hiệu chỉnh: αD=f(αK,m) Các định luật dòng khí  Dòng khí qua khe hẹp • Giả thiết: - Các lực tác dụng ở trạng thái cân bằng - Dòng chảy liên tục và chảy tầng dọc theo chiều dài - Áp suất p chỉ là một hàm số theo chiều dòng y tại một mặt cắt ngang p = const - Dòng chảy dưới tới hạn, không có thiết diện nào đạt được vận tốc âm thanh Hình 8.9. Phân bố ứng suất trên một phần tử khí Các định luật dòng khí  Dòng khí qua khe hẹp Hình 8.10. Quan hệ giữa lưu khối dòng khí lọt qua khe hở với áp suất trước khe hở   1 1 1 3 1 1 2 112 1 n n n n n n bh p n m p p RT l n           Trạng thái đẳng nhiệt (n=1)   3 2 2 1 2 24 bh m p p RTl   Các định luật dòng khí  Các van và vị trí tiết lưu - Trường hợp quá tới hạn * 0 1 0 1 T m Cp T  2 1 0 p b p   Hình 8.11. Sai số khi xấp xỉ Elip Hình 8.12. Hàm dòng khí thoát phụ thuộc vào tỷ lệ áp suất Các định luật dòng khí  Các van và vị trí tiết lưu - Trường hợp dưới tới hạn 2 2 0 1 1 0 1 1 1 p b T p m Cp T b                2 1 1 p b p   Hệ số dẫn dòng 2 max 0 0 0 2D LA R T C p    2 2 1 max 1 1 p b p b                Các định luật dòng khí  Các van và vị trí tiết lưu  Xác định C theo trạng thái tới hạn  Hệ số b tính theo c và mỗi điểm đo trong vòng dưới tới hạn ** 1 * 0 1 0 Tm C p T   1 2 1 0 1 0 1 1 1 p p b Tm C p T            Các thông số đặc trưng khác để mô tả dòng khí đọc trong giáo trình Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén: DIN_ISO.1219 Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén: DIN_ISO.1219 Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén: DIN_ISO.1219 Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén: DIN_ISO.1219 LOGO “ Add your company slogan ” PGS.TS. Bùi Hải Triều