Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở thủy lực - Chương 1: Cơ sở lý thuyết

1. Chương 1: Cơ sở lý thuyết CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC - Archimede (287 – 212 trước Công lịch) là nhà khoa học đầu tiên đã cống hiến công trình nghiên cứu lý luận thủy lực “ Về các vật nổi” với định luật nổi tiếng về sự đẩy lên của chất lỏng. - Leonardo Da Vinci (1452 – 1519) với bản luận văn “ Bàn về chuyển động của nước và đo lường về nước”. - Bàn về các vật ngập trong nước và các vật chuyển động trong nước (1612) của Galile (1564 – 1642). - Dòng chảy qua lỗ (1643) của Toricelli (1608 – 1647). - Truyền áp suất (1650) của Pascal (1623 – 1662). - Lực nội ma sát trong chất lỏng (1685) , lý luận tương tự thủy động lực, của Newton (1642 – 1727). - Daniel Bernulli (1700 – 1782) và Leonard Euler (1707 – 1783) : “ Phương trình Bernulli (1738)” và “ Các nguyên lý chung về chuyển động của chất lỏng (1755)” (phương trình Euler). - 1920 đã ứng dụng trong lĩnh vực máy công cụ. - 1925 ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: nông nghiệp, máy khai thác mỏ, máy hóa chất, giao thông vận tải, hàng không, - 1960 đến nay ứng dụng trong tự động hóa thiết bị và dây chuyền thiết bị với trình độ cao, có khả năng điều khiển bằng máy tính hệ thống truyền động thủy lực với công suất lớn. 1.2. ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 1.2.1. Ƣu điểm - Truyền động được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao nhưng ít đòi hỏi về chăm sóc, bảo dưỡng. - Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hay theo chương trình có sẵn. - Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn và bị dẫn không lệ thuộc nhau. - Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. - Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong cơ khí và điện. - Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. - Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn. - Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, kể cả các hệ phức tạp, nhiều mạch. - Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tử tiêu chuẩn hoá. 1
2. Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.2.2. Nhƣợc điểm - Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng. - Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn. - Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi. 1.3. ĐỊNH LUẬT CỦA CHẤT LỎNG 1.3.1. Áp suất thủy tĩnh Trong chất lỏng, áp suất (do trọng lượng và ngoại lực) tác dụng lên mỗi phần tử chất lỏng không phụ thuộc vào hình dạng thùng chứa. Ta có: Hình a: psL h.g. p (1.1) F Hình b: p (1.2) F A FF12l2 A1 F1 Hình c: pF và (1.3) AA12l1 A2 F2 Trong đó: - khối lượng riêng của chất lỏng; h- chiều cao của cột nước; g- gia tốc trọng trường; pS - áp suất do trọng trường; pL- áp suất khí quyển; pF- áp suất của tải trọng ngoài; A, A1, A2- diện tích bề mặt tiếp xúc; F- tải trọng ngoài. 1.3.2. Phƣơng trình dòng chảy liên tục Lưu lượng (Q) chảy trong đường ống từ vị trí (1) đến vị trí (2) là không đổi (const). Lưu lượng Q của chất lỏng qua mặt cắt A của ống bằng nhau trong toàn ống (điều kiện liên tục). 2
3. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Ta có phương trình dòng chảy như sau: Q = A.v = hằng số (const) (1.4) Với v là vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A. Nếu tiết diện chảy là hình tròn, ta có: Q1 Q 2 hayv 1 .A 1 v 2 .A 2 (1.5) d22 . d . v .12 v . 1244 Vận tốc chảy tại vị trí 2: 2 d1 v21 v . 2 (1.6) d2 Trong đó: 3 2 Q1[m /s], v1[m/s], A1[m ], d1[m] lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 1; 3 2 Q2[m /s], v2[m/s], A2[m ], d2[m] lần lượt là lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng chảy, tiết diện dòng chảy và đường kính ống tại vị trí 2. 1.3.3. Phƣơng trình Bernulli Theo hình 1.3 ta có áp suất tại một điểm chất lỏng đang chảy: .v22 .v p .g.h 12 p .g.h const (1.7) 1 122 2 2 Trong đó: p1 .g.h 1 ; p 2 .g.h 2 áp suất thủy tĩnh; .v22 .v 12; áp suất thủy động; 22  .g trọng lượng riêng. 1.4. ĐƠN VỊ ĐO VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN 1.4.1. Áp suất (p) Theo đơn vị đo lường SI là Pascal (Pa) 1Pa = 1N/m2 = 1kg.m/s2 /m2 = 1kg/ms2 Đơn vị này khá nhỏ, nên người ta thường dùng đơn vị: N/mm2 , N/cm2 và so với đơn vị áp suất cũ là kg/cm2 thì nó có mối liên hệ như sau: 1kg/cm2 0,1N/mm2 = 10N/cm2 = 105N/m2 (Trị số chính xác: 1kg/cm2 = 9,8N/cm2; nhưng để thuận tiện, ta lấy1kg/cm2 = 10N/cm2). Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội số của Pascal là Megapascal (MPa): 1 MPa = 1.000.000 Pa Ngoài ra ta còn dùng: 1bar = 105N/m2 = 1kg/cm2 1at = 9,81.104N/m2 105N/m2 = 1bar. Năm 1919 ở Pháp người ta dùng hệ MTS, đơn vị khối lượng được lấy là tấn (1000kg) và áp suất có đơn vị là pieze (pz) bằng áp suất của 1 sten trên một mét vuông: 1 pz = 1 sn/m2 = 103 Pa = 104 dyn/cm2 = 10-2 bar 3
4. Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1 sn = 103N Một số nước (Anh, Mỹ) còn sử dụng đơn vị đo áp suất : Pound (0,4536 kg) per square inch (6,4521 cm2) Ký hiệu lbs/in2 (psi) 1 bar = 14,5 psi 1 psi = 0,06895 bar (Theo DIN- tiêu chuẩn Cộng hòa Liên bang Đức thì 1kp/cm2 = 0,980665bar 0,981bar; 1bar 1,02kp/cm2. Đơn vị kG/cm2 tương đương kp/cm2). 1.4.2. Vận tốc (v) Đơn vị vận tốc là m/s (cm/s). 1.4.3. Thể tích và lƣu lƣợng a. Thể tích (V): m3 hoặc lít (l) b. Lưu lượng (Q): m3/phút hoặc l/phút. Trong cơ cấu biến đổi năng lượng dầu ép (bơm dầu, động cơ dầu) cũng có thể dùng đơn vị là m3/vòng hoặc l/vòng. 1.4.4. Lực (F) Đơn vị lực là Newton (N): 1N = 1kg.m/s2. 1.4.5. Công suất (N) Đơn vị công suất là Watt (W): 1W = 1Nm/s = 1m2.kg/s3. 1.5. CÁC DẠNG NĂNG LƢỢNG - Mang năng lượng: dầu. - Truyền năng lượng: ống dẫn, đầu nối. - Tạo ra năng lượng hoặc chuyển đổi thành năng lượng khác: bơm, động cơ dầu (mô tơ thủy lực), xilanh truyền lực. 1.5.1. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động tịnh tiến Tính toán: - Thông số của cơ cấu chấp hành: Ft và v(v1, v2) Chuyển động tịnh tiến (hành trình làm việc) - Các phương trình: Lưu lượng: Q1 A 1 .v 1 ; Q 2 A 2 .v 2 (1.8) Lực: Ft p 1 .A 1 (1.9) Công suất của cơ cấu chấp hành: F .v N t1 [kW] Hình 1.4. Sơ đồ mạch thủy lực 60.103 chuyển động tịnh tiến. (1.10) 4
5. Chương 1: Cơ sở lý thuyết p .Q Công suất thủy lực: N 11 [kW] (1.11) 60.103 2 Trong đó : áp suất p1 tính bằng N/m 3 Lưu lượng Q1 tính bằng m /ph Nếu bỏ qua tổn thất từ bơm đến cơ cấu chấp hành thì N Nbơm Nếu tính đến tổn thất thì: N N N (  0,6  0,8) (1.12) ®c¬ ®iÖn  Chuyển động lùi về (hành trình chạy không) Nếu tải Ft = 0 p2 chỉ thắng ma sát p2.A2 Fc ' Lưu lượng: Q1 A 2 .v 2 ; Q 2 A 1 .v 2 Q 2 (1.13) Do A1 > A2 v2 > v1 1.5.2. Sơ đồ thủy lực tạo chuyển động quay Công suất của cơ cấu chấp hành: M. N x (1.14) 102 với (Mxm p.D ) M .2 .n M .n hoặc N xx [kW] 102.60 975 Công suất thủy lực: p .Q N 1 [kW] (1.15) 60.103 với (Q  Dm . ) 1.6. TỔN THẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC Trong hệ thống thủy lực có các loại tổn thất sau: 1.6.1. Tổn thất thể tích Loại tổn thất này do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của hệ thống gây nên. Nếu áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng (bơm dầu, động cơ dầu, xilanh truyền lực) Hình 1.5. Sơ đồ mạch thủy lực Đối với bơm dầu: chuyển động quay Tổn thất thể tích được thể hiện bằng hiệu suất sau:  tbQ/Q 0 (1.16) Q- lưu lượng thực tế của bơm dầu; Q0- lưu lượng danh nghĩa của bơm. 5
6. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Nếu lưu lượng chảy qua động cơ dầu là Q và lưu lượng thực tế Qđ = qđ.đ thì hiệu suất của động cơ dầu là: tđ = Q0đ/Qđ (1.17) Nếu như không kể đến lượng dầu rò ở các mối nối, ở các van thì tổn thất trong hệ thống dầu ép có bơm dầu và động cơ dầu là: t = tb. tđ (1.18) 1.6.2. Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí là do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối ở trong bơm dầu và động cơ dầu gây nên. Tổn thất cơ khí của bơm được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí: cb = N0/N (1.19) N0- công suất cần thiết để quay bơm (công suất danh nghĩa), tức là công suất cần thiết để đảm bảo lưu lượng Q và áp suất p của dầu, do đó: p.Q N (kW) (1.20) 0 6.104 N- Công suất thực tế đo được trên trục của bơm (do mômen xoắn trên trục). 4 Đối với dầu: N0đ =(p.Qđ)/6.10 (1.21) Do đó: cđ = Nđ/N0đ (1.22) Từ đó, tổn thất cơ khí của hệ thống thủy lực là: c = cb. cđ (1.23) 1.6.3. Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến cơ cấu chấp hành (động cơ đầu, xilanh truyền lực). Tổn thất này phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Chiều dài ống dẫn - Độ nhẵn thành ống - Độ lớn tiết diện ống dẫn - Tốc độ chảy - Sự thay đổi tiết diện - Sự thay đổi hướng chuyển động - Trọng lượng riêng, độ nhớt. Nếu p0 là áp suất của hệ thống, p1 là áp suất ra, thì tổn thất được biểu thị bằng hiệu suất: pp01 p a (1.24) pp00 Hiệu áp p là trị số tổn thất áp suất. Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ gây nên được tính theo công thức sau: ll p 10  .v.2 [N/m] 10 4  .v. 2 [bar] (1.25) 2g d 2g d Trong đó: - khối lượng riêng của dầu (914kg/m3); g- gia tốc trọng trường (9,81m/s2); v- vận tốc trung bình của dầu (m/s); - hệ số tổn thất cục bộ; l- chiều dài ống dẫn; d- đường kính ống. 1.6.4. Ảnh hƣởng các thông số hình học đến tổn thất áp suất a. Tiết diện dạng tròn 6
7. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Nếu ta gọi: p- tổn thất áp suất; l- chiều dài ống dẫn; - khối lượng riêng của chất lỏng; Q- lưu lượng; D- đường kính; - độ nhớt động học; - hệ số ma sát của ống; LAM- hệ số ma sát đối với chảy tầng; TURB- hệ số ma sát đối với chảy rối. 8 l. .Q2 Suy ra: Tổn thất: p .  . 25D 256 D.   . LAM Q 0,316   . TURB 4Q 4 . D. 4Q Số Reynold: . 3000. D. - Chảy tầng : Số Reynold: Re ≤ 2320 - Chảy rối : Số Reynold: Re > 2320 b. Tiết diện thay đổi lớn đột ngột 2 2 2 D1 8 .Q Tổn thất: p 1 2 . 2 . 4 DD21 Trong đó: D1- đường kính ống dẫn vào; D2- đường kính ống dẫn ra. c. Tiết diện nhỏ đột ngột 2 2 2 D1 8 .Q Tổn thất: p 0,5. 1 2 . 2 . 4 DD11 Trong đó: D1- đường kính ống dẫn ra; D2- đường kính ống dẫn vào. 7
8. Chương 1: Cơ sở lý thuyết d. Tiết diện thay đổi lớn từ từ Tổn thất: 2 4 2 D1 8 .Q p [0,12  0,2]. 1 4 . 2 . 4 DD21 e. Tiết diện nhỏ từ từ Tổn thất: p = 0. f. Vào ống dẫn Tổn thất áp suất được tính theo công thức sau: 8 .Q2 p  . . E 24D Trong đó hệ số thất thoát được chia thành hai trường hợp như ở bảng sau: Cạnh Hệ số thất thoát E Sắc 0,5 a Gãy khúc 0,25 Tròn 0,06 b Có trước < 3 g. Ra ống dẫn 8 .Q2 Tổn thất áp suất được tính theo công thức sau: p  . . U 24D 8
9. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Hệ số thất thoát U 4Q . 3000 D. 2 4Q . 3000 D. 1 h. Ống dẫn gãy khúc R 4 D 8 .Q2 p  . . U 24D Góc ,  Hệ số thất thoát U = 20 0,06 = 40 0,2 = 60 0,47  = 20 0,04  = 40 0,07  = 60 0,1  = 80 0,11  = 90 0,11 i. Tổn thất áp suất van k. Tổn thất trong hệ thống thủy lực. 1.7. ĐỘ NHỚT VÀ YÊU CẦU ĐỐI VỚI DẦU THỦY LỰC 1.7.1. Độ nhớt Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của chất lỏng. Độ nhớt xác định ma sát trong bản thân chất lỏng và thể hiện khả năng chống biến dạng trượt hoặc biến dạng cắt của chất lỏng. Có hai loại độ nhớt: a. Độ nhớt động lực Độ nhớt động lực là lực ma sát tính bằng 1N tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt 1m2 của hai lớp phẳng song song với dòng chảy của chất lỏng, cách nhau 1m và có vận tốc 1m/s. Độ nhớt động lực  được tính bằng [Pa.s]. Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị poazơ (Poiseuille), viết tắt là P. 1P = 0,1N.s/m2 = 0,010193kG.s/m2 1P = 100cP (centipoiseuilles) Trong tính toán kỹ thuật thường số quy tròn: 1P = 0,0102kG.s/m2. b. Độ nhớt động 9
10. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Độ nhớt động là tỷ số giữa hệ số nhớt động lực  với khối lượng riêng của chất lỏng:   (1.26) Đơn vị độ nhớt động là [m2/s]. Ngoài ra, người ta còn dùng đơn vị stốc (Stoke), viết tắt là St hoặc centistokes, viết tắt là cSt. 1St = 1cm2/s = 10-4m2/s 1cSt = 10-2St = 1mm2/s. c. Độ nhớt Engler (E ) Độ nhớt Engler (E0) là một tỷ số quy ước dùng để so sánh thời gian chảy 200cm3 dầu qua ống dẫn có đường kính 2,8mm với thời gian chảy của 200cm3 nước 0 0 cất ở nhiệt độ 20 C qua ống dẫn có cùng đường kính, ký hiệu: E = t/tn Độ nhớt Engler thường được đo khi dầu ở nhiệt độ 20, 50, 1000C và ký hiệu 0 0 0 tương ứng với nó: E 20, E 50, E 100. 1.7.2. Yêu cầu đối với dầu thủy lực Những chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng chất lỏng làm việc là độ nhớt, khả năng chịu nhiệt, độ ổn định tính chất hoá học và tính chất vật lý, tính chống rỉ, tính ăn mòn các chi tiết cao su, khả năng bôi trơn, tính sủi bọt, nhiệt độ bắt lửa, nhiệt độ đông đặc. Chất lỏng làm việc phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Có khả năng bôi trơn tốt trong khoảng thay đổi lớn nhiệt độ và áp suất; - Độ nhớt ít phụ thuộc vào nhiệt độ; - Có tính trung hoà (tính trơ) với các bề mặt kim loại, hạn chế được khả năng xâm nhập của khí, nhưng dễ dàng tách khí ra; - Phải có độ nhớt thích ứng với điều kiện chắn khít và khe hở của các chi tiết di trượt, nhằm đảm bảo độ rò dầu bé nhất, cũng như tổn thất ma sát ít nhất; - Dầu phải ít sủi bọt, ít bốc hơi khi làm việc, ít hoà tan trong nước và không khí, dẫn nhiệt tốt, có môđun đàn hồi, hệ số nở nhiệt và khối lượng riêng nhỏ. Trong những yêu cầu trên, dầu khoáng chất thoả mãn được đầy đủ nhất. BÀI TẬP : Bài 1 : Lối vào của bơm thủy lực là cách bề mặt của bể chứa dầu là 0,6m. Trọng lượng riêng của dầu là 0,86G/cm3. Xác định áp suất tĩnh tại lối vào của bơm. GIẢI : Áp dụng công thức : pt = ρ.g.h = γ.h γ = 0,86 G/cm3 h = 0,6 m = 60 cm Áp suất tĩnh tại lối vào của bơm là : 2 2 pt = γ.h = 0,86 × 60 = 51,6 G/cm = 0,0516 kG/cm = 0,0506 bar (1 bar = 0,981kG/cm2) Bài 2 : Tính toán đường kính trong của ống hút và ống đẩy của bơm có lưu lượng là 40 l/ph làm việc với vận tốc lớn nhất ở ống hút là 1,2 m/s và ở ống đẩy là 3,5 m/s. GIẢI : Ta có phương trình dòng chảy như sau: Q = A.v = hằng số (const) Với v là vận tốc chảy trung bình qua mặt cắt A. 10
11. Chương 1: Cơ sở lý thuyết Tiết diện chảy là hình tròn, ta có: 3 6 3 Qh = Qđ = vh Ah vđ Ađ 40 l/ph = 40 dm /ph = 40.10 mm /ph d 2 . d 2 40 v h v đ = 40.106 mm3/ph = .106 mm3 / s h 4 đ 4 60 4 40.106 d 26,6mm h 60 1,2.103 3,14 4 40.106 d 15,6mm đ 60 3,5.103 3,14 Làm tròn và lấy theo tiêu chuẩn dh = 29 mm, dđ = 20mm Bài 3 : Một bơm thủy lực có thông số lưu lượng là 12 l/ph và áp suất làm việc là 200bar. 1. Tính công suất thủy lực bơm 2. Nếu hiệu suất làm việc của bơm là 60% thì công suất của động cơ điện cần thiết truyền động bơm là bao nhiêu? GIẢI : p .Q Công suất thủy lực: N 11 [kW] 60.103 2 5 2 p1 = 200 bar = 200 kG/cm = 200.10 N/m 3 -3 3 Q1 = 12 l/ph = 12 dm /ph = 12.10 m /ph p Q 200.105 12.10 3 N = 1 1 4kW 60.103 60.103 Công suất của động cơ điện cần thiết truyền động bơm là : N 4 N 6,667 kW đc  0,6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 2. Trình bày các định luật của chất lỏng. 3. Trình bày các dạng tổn thất trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 4. Độ nhớt là gì? Dầu thủy lực cần phải đảm bảo yêu cầu gi? 5. Các thông số hình học của ống dẫn có ảnh hưởng thế nào đến tổn thất áp suất? 6. Lối vào của bơm thủy lực là cách bề mặt của bể chứa dầu là 0,4m. Trọng lượng riêng của dầu là 0,86G/cm3. Xác định áp suất tĩnh tại lối vào của bơm. 7. Tính toán đường kính trong của ống hút và ống đẩy của bơm có lưu lượng là 30lít/ph làm việc với vận tốc lớn nhất ở ống hút là 1,5 m/s và ở ống đẩy là 3,2 m/s. 8. Một bơm thủy lực có thông số lưu lượng là 20 lít/ph và áp suất làm việc là 150bar. 1. Tính công suất thủy lực bơm. 2. Nếu hiệu suất làm việc của bơm là 70% thì công suất của động cơ điện cần thiết truyền động bơm là bao nhiêu? 11