Giáo trình Truyền động thủy lực: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình Truyền động thủy lực trình bày các kiến thức cơ bản về thủy lực; thủy tĩnh học; thủy động lực học; truyền động thủy lực; khái niệm chung về truyền động thủy lực;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Bùi Thanh Nhu, Lê Quý Chiến GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2017 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Truyền động thuỷ lực ThS Bùi Thanh Nhu ThS Lê Quý Chiến biên soạn, dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Đại học hệ quy, ngành Công nghệ Cơ điện mỏ làm tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành khác trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh Giáo trình gồm chương, trình bày lý thuyết thuỷ lực học truyền động thuỷ lực Chương Thuỷ tĩnh học Chương Thuỷ động lực học Chương Khái niệm chung truyền động thuỷ lực Chương Truyền động thuỷ tĩnh Chương Truyền động thuỷ động Để củng cố kiến thức cho sinh viên, sau chương có số tập tiêu biểu giải mẫu số tập cho sinh viên tự giải để nâng cao kĩ tính tốn thuỷ lực truyền động thuỷ lực Ở cuối giáo trình có đưa bảng đơn vị thường dùng thuỷ lực truyền động thuỷ lực, bảng tra cứu, đồ thị thuỷ lực để sinh viên tham khảo học tập, đồng thời sử dụng tính tốn thiết kế lắp đặt Các tác giả vui mừng chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, lãnh đạo khoa Điện, phòng khoa nghiệp vụ bạn đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ động viên để hoàn thành tốt sách Trong trình biên soạn, tác giả cố gắng bám sát đề cương chương trình mơn học phê duyệt Bộ giáo dục Đào tạo, kết hợp với kinh nghiệm giảng dạy mơn học nhiều năm, đồng thời có ý đến đặc thù đào tạo ngành Công nghệ Cơ điện mỏ khoa nhà trường Do trình độ kinh nghiệm hạn chế nên chắn sách khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng để nâng cao chất lượng giáo trình Quảng Ninh, tháng 04 năm 2015 Các tác giả PHẦN KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THUỶ LỰC Chương THUỶ TĨNH HỌC 1.1 Khái niệm chất lỏng 1.1.1 Định nghĩa “Thuỷ lực” Thủy lực môn khoa học ứng dụng nghiên cứu quy luật cân chuyển động chất lỏng biện pháp áp dụng qui luật Phương pháp nghiên cứu môn thủy lực đại kết hợp chặt chẽ phân tích lý luận với phân tích tài liệu thí nghiệm, thực đo, nhằm đạt tới kết cụ thể để giải vấn đề thực tế kỹ thuật Những kết nghiên cứu môn thủy lực có tính chất lý luận nửa lý luận nửa thực nghiệm, hoàn toàn thực nghiệm Cơ sở môn thủy lực học chất lỏng lý thuyết, môn nghiên cứu qui luật cân chuyển động chất lỏng, phương pháp chủ yếu việc nghiên cứu sử dụng công cụ tốn học phức tạp Vì vậy, mơn thủy lực cịn gọi mơn học chất lỏng ứng dụng học chất lỏng kỹ thuật Kiến thức khoa học thủy lực cần cho người cán kỹ thuật nhiều ngành sản xuất thường phải giải nhiều vấn đề kỹ thuật có liên quan đến cân chuyển động chất lỏng, đặc biệt cần thiết nước Những ngành thủy lợi, giao thông đường thủy, cầu đường, cấp nước, dầu khí, khai thác mỏ, hàng hải, hàng không, chế tạo máy đến ngành khoa học vũ trụ… cần nhiều áp dụng khoa học thủy lực, thí dụ để giải cơng trình đập, đê, kênh, cống, nhà máy thủy điện, tuốc bin, công trình đường thủy, nắn dịng sơng, hệ thống dẫn tháo nước, cấp thoát nước khai thác v.v… 1.1.2 Khoa học thủy lực Việt Nam Ở Việt Nam ông cha biết lợi dụng nước để phục vụ nông nghiệp kể từ thời đại đồ đá cũ (30 vạn năm trước), đồ đá (1 vạn năm), đồ đá (5000 năm), đến thời đại đồ đồng (4000 năm - Hùng Vương dựng nước) Từ đầu công nguyên trở (thời kỳ đồ sắt phát đạt) cơng trình thủy lợi tiếp tục phát triển, hệ thống đê điều hình thành dọc sông lớn đồng Bắc bộ, nhiều kênh ngòi đào thêm nạo vét lại Theo “Cương mục biên” năm 983 thời Lê Hồn, đào sơng từ núi Đồng Cổ (n Định - Thanh Hóa) đến sơng Bà Hịa (Tĩnh Gia- Thanh Hóa), thuyền bè lại tiện lợi Vào đời Lý (thế kỷ XI), nhiều đoạn đê quan trọng dọc theo sơng ngịi lớn vùng đồng đắp, quan trọng đê Cơ xá (đê Sông Hồng, vùng Thăng Long) đắp vào mùa xuân 1168 Một số kênh ngòi, vùng Thanh Hóa, tiếp tục đào khơi sâu thêm Nền nông nghiệp nước ta vùng đồng thường bị ngập lụt hạn hán đe dọa, cơng trình thủy lợi tạo điều kiện quan trọng để phát triển nông nghiệp Sang đời Trần (thế kỷ XIII) cơng việc đắp đê phịng lụt tiến hành hàng năm với quy mô lớn Năm 1248, thời Trần thái Tôn, đắp đê từ đầu nguồn đến bờ biển gọi đê Quai Vạc Hệ thống đê điều dọc sông lớn đồng Bắc Bộ đến thời Trần xây dựng hàng năm tu bổ, vấn đề xây dựng bảo vệ đê điều trở thành chức quan trọng quyền nhiệm vụ toàn dân Đến đời Lê (thế kỷ XV), coi trọng việc tu bổ, kiểm tra đê điều Thời Lê Sơ, khơi phục nhiều cơng trình, năm 1438 khơi lại kênh Trường An, Thanh Hóa, Nghệ An năm 1445, Nhân Tơng khơi Bình Lỗ (huyện Kim Anh- Vĩnh Phúc) thơng suốt đến Bình Than Năm 1467 đê ngăn nước mặn vùng Nam Sách, Giáp Sơn, Thái Bình bồi đắp lại, ngồi đào nhiều kênh mương để phục vụ nông nghiệp để vận tải tiện lợi Di tích đoạn đê nước mặn đến nay, nhân dân thường gọi “đê Hồng Đức” (niên hiệu Lê Thánh Tông) Thanh Hóa nhiều sơng đào khai thác từ kỷ XV, đến cịn mang tên “sơng nhà Lê” Từ kỷ XVI, chế độ quân chủ chuyên chế hậu gây - cát nội chiến - cản trở phát triển sức sản xuất Tuy nhiên nhân dân khơng ngừng đấu tranh để bảo vệ làng xóm q hương, bảo vệ sống Sang kỷ XVIII giai cấp phong kiến bước vào giai đoạn khủng hoảng sâu sắc tồn diện, nơng nghiệp đình đốn Đàng Đàng Dưới triều Nguyễn (thế kỷ XIX) kinh tế nông nghiệp ngày sa sút, triều Nguyễn bất lực việc chăm lo, bảo vệ đê điều cơng trình thủy lợi, nên nạn đê vỡ, lụt lội xảy liên tiếp Riêng đê Sơng Hồng Khối Châu (Hưng Yên) đời Tự Đức bị vỡ “10 năm liền” dân nghèo phải bỏ làng, phiêu bạt xứ sở Tình hình nơng nghiệp buộc nhà Nguyễn phải đề sách khẩn hoang, đầu đời Nguyễn đẩy mạnh triều Minh Mệnh Trong khoảng 18281829, với cương vị danh điền sứ, Nguyễn Công Trứ đề sách doanh điền, thực khẩn hoang, theo lối di dân, lập ấp, tạo thành huyện Kim Sơn (Ninh Bình) Tiền Hải (Thái Bình); Ơng lợi dụng địa hình để đắp đê mở mang hệ thống thủy nông cách hợp lý, khoa học Do kết đó, sách doanh điền áp dụng nhiều nơi Nam Kỳ Sang thời kỳ Pháp thuộc, năm hộ, thực dân Pháp làm số cơng trình thủy lợi để phục vụ sách bóc lột thuộc địa chúng, khơng có biện pháp hiệu để chống hạn, úng, lụt, xói mịn để đảm bảo sản lượng ruộng đất ổn định đời sống nhân dân an toàn Sau cách mạng tháng năm 1945 thành công, sau kháng chiến chống thực dân Pháp thắng lợi, miền Bắc giải phóng hồn tồn, nghiệp thủy lợi phát triển mạnh mẽ Công tác thủy lợi biện pháp hàng đầu đảm bảo cho việc phát triển nhanh vững nông nghiệp Trong 20 năm qua (1954-1975) xây dựng miền Bắc mạng lưới cơng trình thủy nơng, gồm 60 hệ thống thủy nông loại lớn loại vừa có khả tưới nước cho triệu tiêu cho 1,1 triệu ruộng đất canh tác Công tác củng cố bảo vệ đê, phân lũ, làm chậm lũ…đã bảo vệ sản xuất an toàn cho nhân dân; nhờ đê Sông Hồng chống lũ lớn năm 1969 vượt mức lũ năm 1945 Nhân dân chiến đấu dũng cảm bảo vệ đê chống lại trận đánh phá đê điều không quân Mỹ năm chiến tranh chống Mỹ cứu nước Cơng trình thủy điện Thác Bà với cơng suất 108.000 kW loạt cơng trình đầu mối lớn sông Đà chuẩn bị xây dựng Đã xây dựng đội ngũ cán khoa học kỹ thuật thủy lợi có khả thiết kế, thi cơng quản lý cơng trình tương đối lớn hệ thống trường Đại học Viện nghiên cứu, Viện thiết kế phục vụ yêu cầu nghiệp thủy lợi Sau miền Nam hoàn tồn giải phóng, cơng tác thủy lợi miền Nam triển khai mạnh mẽ phục vụ yêu cầu phát triển nông nghiệp yêu cầu cải tạo xây dựng kinh tế đạt nhiều thành tích to lớn Về mặt khoa học thủy lực, mơn thủy lực giảng dạy thành môn sở kỹ thuật trường kỹ thuật nước ta, hình thành số phịng thí nghiệm thủy lực, nghiên cứu giải số vấn đề thủy lực, vấn đề tính tốn dịng khơng ổn định việc tính lũ, triều, vấn đề thủy lực cơng trình, chuyển động bùn cát, dòng thấm, máy thủy lực v.v… Trong giai đoạn mới, nhiệm vụ khai thác mỏ chỉnh trị dịng sơng, lợi dụng nguồn nước để phục vụ ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải nhu cầu khác to lớn, địi hỏi khoa học thủy lực nước ta phải phát triển mạnh mẽ, nhanh chóng tiếp thu thành tựu đại giới, vận dụng sáng tạo vào điều kiện nước ta, sâu nghiên cứu vấn đề riêng ta để có đủ khả giải nhiều vấn đề thủy lực phức tạp, tiến lên đuổi kịp trình độ nước tiên tiến, xây dựng khoa học thủy lực tiên tiến nước ta 1.1.3 Tính chất vật lý chất lỏng 1.1.3.1 Các tính chất chung chất lỏng Chất lỏng nghiên cứu loại vật chất có tính chất chung sau đây: + Tính chảy hay tính dễ di động: Chất lỏng di động tác động lực bất kỳ, dù lực nhỏ + Tính liên tục: Chất lỏng xem tập hợp vô số phần tử chiếm đầy miền nghiên cứu + Tính đẳng hướng: Sự biến đổi tính chất vật lý môi trường chất lỏng theo phương Ở trạng thái chất lỏng đứng yên, tồn lực pháp tuyến mà không tồn lực tiếp tuyến 1.1.3.2 Các tính chất vật lý chất lỏng a Tính chất thứ chất lỏng, vật thể có khối lượng Tính chất biểu thị khối lượng đơn vị (hoặc khối lượng riêng)  Đối với chất lỏng đồng chất, khối lượng đơn vị  tỉ số khối lượng M với thể tích W khối lượng chất lỏng, tức là: = Đơn vị  kg/m3 M W (1-1) Ns kGs Theo hệ MKS, đơn vị  m4 m4 Đối với nước đơn vị khối lượng nước lấy khối lượng đơn vị thể tích nước cất nhiệt độ +40C;  = 1000kg/m3 b Tính chất thứ hai chất lỏng, có trọng lượng Đặc tính biểu thị trọng lượng đơn vị trọng lượng riêng Đối với chất lỏng đồng chất, trọng lượng đơn vị tích số khối lượng đơn vị với gia tốc rơi tự g (g = 9,81m/s2)  =  g = M g W (1-2) Thứ nguyên đơn vị trọng lượng là:   =  g = Mg  = F3 W  L N kG kg Theo hệ MKS, đơn vị  2 ms m m N kG Đối với nước nhiệt độ + 40C,  = 9810 = 1000 ; với thủy ngân m m kG N  =134.000 =136000 m m Đơn vị  c Tính chất thứ ba chất lỏng tính thay đổi thể tích thay đổi áp lực thay đổi nhiệt độ Trong trường hợp thay đổi áp lực, ta dùng hệ số tích w biểu thị cơng thức: w = − dW ; W dp m2/N (1-3) Thí nghiệm chứng tỏ phạm vi áp suất từ đến 500 át-mốt-phe nhiệt độ từ đến 200C hệ số co thể tích nước  = 0,00005 cm  kG Như thủy lực, chất lỏng thường coi không nén Đại lượng nghịch đảo hệ số co thể tích w gọi mơ - đun đàn hồi thể tích K K= = −W dp ; N / m2 dW (1-4) w Trong trường hợp thay đổi nhiệt độ, ta dùng hệ số dãn nở nhiệt t để biểu thị biến đổi tương đối thể tích chất lỏng W ứng với tăng nhiệt độ t lên 10C, hệ số t biểu thị công thức dW (1-5) t = W dt Thí nghiệm chứng tỏ điều kiện áp suất khơng khí ứng với t = 100C 1 ta có t = 0,00014 ( ) ứng với t = 10 200C ta có t = 0,00015 ( ) t t Như vậy, thủy lực chất lỏng coi khơng co dãn tác dụng nhiệt độ Tóm lại, thủy lực, chất lỏng thường coi có tính chất khơng thay đổi thể tích có thay đổi áp lực nhiệt độ Tính chất cịn thường thể đặc tính là: mật độ giữ khơng đổi, tức  = const d Tính chất thứ tư chất lỏng có sức căng mặt ngồi, tức có khả chịu ứng suất kéo khơng lớn tác dụng mặt tự phân chia chất lỏng với chất khí mặt tiếp xúc chất lỏng với chất rắn Sự xuất sức căng mặt ngồi giải thích để cân với sức hút phân tử chất lỏng vùng lân cận mặt tự do, vùng sức hút phân tử chất lỏng không đổi cân vùng xa mặt tự do, làm cho mặt tự có độ cong định Do sức căng mặt mà giọt nước có dạng hình cầu Trong ống có đường kính nhỏ cắm vào chậu nước, có tượng mức nước ống dâng cao mặt nước tự chậu; chất lỏng thủy ngân lại có tượng mặt tự ống hạ thấp mặt thủy ngân ngồi chậu, tượng mao dẫn, tác dụng sức căng mặt gây nên; mặt tự chất lỏng trường hợp đầu mặt lõm, trường hợp sau mặt lồi Sức căng mặt đặc trưng hệ số sức căng mặt  , biểu thị sức kéo tính đơn vị dài “đường tiếp xúc” Hệ số  phụ thuộc loại chất lỏng nhiệt độ Trong trường hợp nước tiếp xúc với khơng khí 200C ta thấy  = 0,0726 N/m = 0,0074 kG/m Nhiệt độ tăng lên,  giảm Đối với thủy ngân điều kiện trên, ta có  = 0,540N/m, tức gần 7,5 lần lớn nước Trong đa số tượng thủy lực ta bỏ khơng cần xét đến ảnh hưởng sức căng mặt ngồi trị số nhỏ so với lực khác Thường phải tính sức căng mặt ngồi trường hợp có tượng mao dẫn, thí dụ trường hợp dịng thấm đất Đối với nước nhiệt độ 200C, độ dâng cao h (mm) ống thủy tinh có đường kính d (mm) là: hđ = 30mm2 Đối với thủy ngân, độ hạ thấp h (mm) ống thủy tinh đường kính d (mm) tính là: hđ = 10,15mm2 e Tính chất thứ năm chất lỏng có tính nhớt Trong thủy lực tính nhớt quan trọng, nguyên nhân sinh tổn thất lượng chất lỏng chuyển động Sau nghiên cứu kỹ tính chất Khi lớp chất lỏng chuyển động, chúng có chuyển động tương đối nảy sinh tác dụng lôi đi, kéo lại nói cách khác, chúng nẩy sinh lực ma sát tạo nên chuyển biến phần lượng chất lỏng biến thành nhiệt không lấy lại Lực ma sát gọi lực ma sát (hoặc nội ma sát) xuất nội chất lỏng chuyển động Tính chất nảy sinh lực ma sát nói cách khác, tính chất nảy sinh ứng suất lớp chất lỏng chuyển động gọi tính nhớt chất lỏng Tính nhớt biểu sức dính phân tử chất lỏng, nhiệt độ tăng cao, phân tử giao động mạnh xung quanh vị trí trung bình phân tử; sức dính phân tử độ nhớt chất lỏng giảm Mọi chất lỏng có tính nhớt Như khái niệm tính nhớt liên quan chặt chẽ đến khái niệm ma sát Nhờ định luật ma sát mà người ta xác định đại lượng đặc trưng cho tính nhớt chất lỏng Năm 1686, I Niu-tơn nêu giả thuyết quy luật ma sát trong, tức ma sát chất lỏng (chú ý định luật ma sát chất rắn, tức ma sát ngồi Cu-lơng đề ra, thuyết minh giáo trình học lý thuyết) sau nhiều thí nghiệm xác nhận đúng: “Lực ma sát lớp chất lỏng chuyển động tỷ lệ với diện tích tiếp xúc lớp ấy, không phụ thuộc áp lực, phụ thuộc gradiên vận tốc theo chiều thẳng góc với phương chuyển động, phụ thuộc loại chất lỏng” Định luật ma sát Niu-tơn viết biểu thức: F = .S du dn (1-6) Trong : (Hình 1-1) F - sức ma sát hai lớp chất lỏng; u - vận tốc điểm chất lỏng n dn u + du n - số lớp chất lỏng u S - diện tích tiếp xúc du u = f(n) u Hình 1-1 Mới quan hệ u và n u = f(n) - quy luật phân bố vận tốc theo phương n; du - gradiên vận tốc theo phương n, tức đạo hàm u n; dn  - số tỉ lệ, phụ thuộc loại chất lỏng, gọi hệ số nhớt hệ số động lực nhớt F , công thức (1-6) viết dạng: S du  =  dn Gọi τ ứng xuất tiếp,  = (1-7) Công thức (1-6) (1-7) dùng cho chuyển động tầng chất lỏng (sẽ nói rõ khái niệm chuyển động tầng chương 2) Tính nhớt chất lỏng đặc trưng hệ số nhớt  mà thứ nguyên là:   = F   du   S dn  FT M Hoặc:   = = LT L Đơn vị đo hệ số nhớt  hệ đo lường hợp pháp Ns/m2 kg/ms; đơn vị ứng với là: Ns gọi poa-dơ (P) 10 m Tính nhớt cịn đặc trưng hệ số:  v= (1-8)  Trong  - khối lượng đơn vị;  gọi hệ số động học nhớt; thứ nguyên  L2   v = v = T   Đơn vị đo hệ số động học nhớt  hệ đo lường hợp pháp m2 cm ; đơn vị s s gọi stốc Bảng 1-1 hệ số nhớt vài chất lỏng Tên chất lỏng t0C (Poa -dơ) Dầu xăng thường 18 0,0065 Nước 20 0,0101 Dầu hỏa 18 0,0250 Dầu mỏ nhẹ 18 0,2500 Dầu mỏ nặng 18 0,4000 Dầu tuốc-bin 20 1,5280 Dầu nhờn 20 1,7200 Gli-xê-rin 20 8,7000 Công thức xác định hệ số nhớt có dạng tổng quát là: 0 = (1-9) + a.t + b.t 0 - hệ số nhớt với t = 00 a b -hằng số, phụ thuộc loại chất lỏng Thí dụ nước, hệ số nước có tính theo số liệu thí nghiệm Poa-dơ: 0,0178. = ; g / cm.s (1-10) Trong đó: + 0,0337.t + 0,000221.t Trong đó: Bảng 1-2 trị số hệ số nhớt động học  nước, phụ thuộc nhiệt độ t0C v, cm2/s t0C v, cm2/s 0,0178 20 0,0101 0,0152 30 0,0081 10 0,0131 40 0,0066 12 0,0124 50 0,0055 15 0,0114 Dụng cụ đo nhớt Trong thực tế, độ nhớt xác định dụng cụ đo nhớt, thuộc nhiều loại khác nhau: loại mao dẫn, loại có hình trụ đồng trục, loại có đĩa giao động tắt dần, loại máy đo đa có số v.v… 10 Hiện phịng thí nghiệm thường hay dùng dụng cụ đo nhớt máy đo đa có số (Hình 1-2); Model: LVDV-II+P, loại máy đo độ nhớt đa thông dụng Brookfield - USA, bao gồm đo độ nhớt liên tục, đo nhiệt độ hiển thị liệu Khi kết nối với máy tính chuyên dụng máy có chức trao đổi liệu hai chiều Tỉ số T2 =E T1 (1-11) gọi độ En-gơ-le Hình 1-2 Máy đo độ nhớt Để đổi thành stốc, dùng cơng thức kinh nghiệm sau đây: v = 0,07310.E − 0,0631 E cm / s (stốc) Ngoài đơn vị Stốc độ nhớt En-gơ-le, thường gặp đơn vị đo độ nhớt động học khác như: - Giây Rét -út (ở Anh), ký hiệu ”R; v = 0,00260" R − 1,72 "R cm / s 1,80 "S cm2 / s - Giây Xê-bôn (ở Mỹ), ký hiệu ”S; v = 0,00220" S − Những loại chất lỏng tuân theo định luật ma sát Niu -Tơn biểu thị công thức (1-6) (1-7) gọi chất lỏng thực chất lỏng Niu-tơn Môn thủy lực nghiên cứu chất lỏng Niu-Tơn Những chất lỏng chất dẻo, sơn, dầu nhờn, hồ v.v… chảy không tuân theo định luật ma sát Niu -tơn biểu thị công thức (1-6) (1-7) gọi chất lỏng phi Niu-Tơn Trong việc nghiên cứu, số vấn đề dùng khái niệm chất lỏng lý tưởng thay khái niệm chất lỏng thực Chất lỏng lý tưởng chất lỏng tưởng tượng, hồn tồn khơng có tính nhớt tức hồn tồn khơng có nội ma sát chuyển động Khi nghiên cứu chất lỏng trạng thái tĩnh khơng cần phải phân biệt chất lỏng thực với chất lỏng lý tưởng Trái lại nghiên cứu chất lỏng chuyển động từ chất lỏng lý tưởng sang chất lỏng thực phải tính thêm vào ảnh hưởng sức ma sát trong, tức ảnh hưởng tính nhớt Trong tính chất vật lý nói chất lỏng, quan trọng mơn thủy lực tính chất có khối lượng, có trọng lượng, có tính nhớt 1.1.4 Khái niệm chất lỏng Việc nghiên cứu môn thủy lực dựa vào khái niệm phần tử chất lỏng Phần tử chất lỏng coi vơ nhỏ, nhiên kích thước cịn vượt xa kích thước phân tử Ta giả thiết phần tử chất lỏng đồng chất, đẳng hướng liên tục, không xem xét đến cấu trúc phân tử, chuyển động phân tử nội Chất lỏng chất khí khác chất rắn chỗ mối liên kết học phân tử chất lỏng chất khí yếu nên chất lỏng chất khí có tính di động dễ chảy 11 - Với đường kính d = 150mm Q2 302 hd = l = 30 = 0,8m K 183,92 cột nước cuối ống đạt 9m - 0,8m = 8,2m Cột nước cuối ống cao (1,2m) so với yêu cầu Người sử dụng chọn đường kính 125mm hay 150mm 2.13 Cũng tốn 5.2, người ta sử dụng u cầu tính toán đường ống nối tiếp (d= 125mm d = 150mm) để đạt cột nước cuối đường ống 7m (H2-24) Xác định chiều dài loại đường ống Giải Sơ đồ đường ống nối tiếp: Giả sử: x - chiều dài ống với d = 125mm (30-x) chiều dài ống với d = 150mm Hình 2-24 Ta có: hd = Q2 Q2 302 302 ( ) x + 30 − x = x + (30 − x ) = 2m K2 K2 113,52 183,92 Như vậy, để đạt yêu cầu người sử dụng, chiều dài đoạn ống d = 125mm 27,9m chiều dài đoạn ống d = 150mm 2,1m 2.14 Hai đường ống thép có đường kính d = 100mm nối song song, chiều dài ống I 30m, chiều dài ống II 15m Lưu lượng đường ống Q = 40l/s Xác định lưu lượng ống Đường nối song song theo sơ đồ đây,  A = 10m;  B = 9m;  C = 9m  D = 8m cột nước điểm bao nhiêu? Cho biết cột nước D 6m; AB = CD = BC AD = ( H − 25) 2 Giải Sơ đồ đường ống song song Hình 2-25 61 Ta viết phương trình để tính tốn Q = Q1 + Q ; (1) Hd1= 2 Q l1; K (2) Hd2= Q22 l2 ; K 22 (3) Tổn thất lượng đường ống song song nhau, nên: Q12 Q22 l ; l2 ; K12 K 22 (4) Từ (1) ta có: Q2=40 l/s - Q1 (5) Thay (5) vào (4) Q12 (40 − Q1 ) l = l2 K1 K 22 Hai đường ống thép, có d = 100mm, theo bảng phụ lục, ta có: K = 63,73l/s Do đó: Q12 l1 = (40 − Q1 ) l2 (40 − Q1 ) l1 30 = = =2 Q12 l2 15 Hay là: Q12 + 80Q1 − 1600 = 0' Giải phương trình (6) ta xác định: Q1 = 16,6l/s Q2= 23,4l/s Tổn thất lượng đoạn ống AD: hd = Q22 23,42 l = = 15 = 2,02m K2 63,732 Cột nước A: HA= (  D + H D + hd ) −  A = (8 + + 2,02) − 10 = 6,02m Tổn thất lượng đoạn AB: hd = Cột nước B: Q12 16,62 l = 7,5 = 0,51m AB K2 63,732 H B = ( A + H A − hd ) −  B = (10 + 6,02 − 0.51) − = 6,51m Tổn thất lượng đoạn ống BC tổn thất lượng đoạn B: HdBC=1,02m Cột nước điểm C: H C = ( B + H B − hd ) −  C = (9 + 6,51 − 1,02) − = 5,49 62 2.15 Tính tổn thất lượng đường ống ABCD ống thép đường kính d= 100m; đoạn AB dài 10m; BC dài 8m; đoạn CD dài 15m Lưu lượng đoạn AB ;là 30l/s; đoạn BC lưu lượng phân phối 10l/s Giải Tổn thất lượng đoạn AB: hdAB Q22 30 = l AB = K 63,732.10 = 2,2m Trong đó, K 63,73 l/s Tổn thất lượng đoạn BC (lưu lượng phân phối đều): hdBC = (Qm + 0,55Q p ) K2 l = (20 + 0,55.102 ) = 1,28m 63,732 Trong đó, Qm=20l/s; Qp=10l/s;K=63,73l/s Tổn thất lượng đoạn CD: hdCD = Q2 202 l = 15 = 1,48m CD K2 63,732 Như vậy, tổn thất lượng đường ống ABCD; Hd = 2,20 + 1,28+1,48=4,96m ĐS: hd ABCD = 4,96 m 2.16 Xác định chiều cao tháp Ht theo sơ đồ (H.2-26)  1=  A=15m  = 14 m  3=12m  4= 13m H2=6m H3= 8m H4 =10m n=0,012 Chọn (0-1-2-3) làm đường ống (đoạn ống dài có lưu lượng lớn) H t =  + H + hdi −  ; Ht=12+8+ hdi -15 - Tính hdi - Đoạn 3-2 Giả thiết v = 1m/s;Q2-3=0,006m3/s Hình 2-26 63 d = 1,13 0,006 = 0,087 m 140 Chọn d = 100m với n = 0,012 có K = 0,053m3/s hd 3−2 = 0,0062 200 = 2,5m 0,0532 - Đoạn 2-1: Giả thiết v = 1m/s; Q1-2 = 0,006 + 0,004 = 0,01m3/s hd 2−1 = 1,13 0,01 = 0,013m Chọn d = 125mm ứng với n = 0,012, tra K = 0,097 m3/s hd 2−1 = 0,012 300 = 3,15m 0,097 - Đoạn 1-A: Giả thiết: v = 1m/s; Q1-A = 0,006 + 0,004 + 0,006 = 0,016 m3/s d = 1,13 0,016 = 0,147 m Chọn d = 150mm, với n = 0,012, tra K = 0,158m3/s 0,016 1000 = 10,24m 0,1582 - Tính ống nhánh: so sánh 1'  '4 1' =  + H + hd 3−2 + hd 2−1 hd1− A = 1' = 12 + + 2,5 + 3,15 = 25,65m  '4 =  + H  '4 = 13 + 10 = 23m hd 4−1 = 1' −  '4 = 2,65m Cột nước điểm lớn điểm 4, việc chọn đường ống đúng; Tính hd : 4−1 K −1 = Q = 0,064 m3/s 2,65 300 Chọn d = 300mm ta có K = 1,00m3/s (lưu lượng thừa, dùng khóa để điều chỉnh) Ht = 12+8+2,5+,3,15+10,24-15 Ht = 20,89m 2.17 Từ tháp chứa A đến trạm B người ta đặt hai đường ống song song (H2-27) Một hai đường ống có lưu lượng phân phối Qp = 23l/s Tại điểm B ta phải đảm bảo lưu lượng mang Qm với cao trình  'B = 14,5m Cao trình cột nước A  'A = 21,12m , ống bình thường Xác định: 64 Lưu lượng mang Qm B: Đáp số: QB = 37,5l/s 2.18 Hai bể nước thông với đường ống ACB (H 2-28) điểm C có lắp khóa tháo nước Xác định lưu lượng QA QB tháo nước khỏi hai bể chứa, lưu lượng nước điểm C thay đổi từ QC = (khóa đóng hồn tồn) đến điểm C thay đổi từ QCmax (khóa mở hồn tồn) Vẽ đường đo áp, ống bình thường Cho nước chảy khu vực thành nhám ĐS: 1) QC = QA = QB = 9,21l/s 2) QCmax QC = QA + QB QC = 54,71l/s 65 PHẦN - TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC Chương KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC 3.1 Khái niệm truyền động thuỷ lực 3.1.1 Khái niệm truyền động thuỷ lực Muốn truyền từ phận dẫn động đến phận làm việc máy, cách dùng loại truyền động khí, điện, khí nén người ta cịn dùng loại truyền động truyền động thuỷ lực Truyền động thủy lực dùng môi trường chất lỏng làm khâu trung gian để truyền Nó xuất yêu cầu cần truyền công suất lớn với đặc điểm êm, ổn định dễ tự động hóa…mà loại truyền động khác chưa đáp ứng Hệ thống truyền động thủy lực (TĐTL) sử dụng rộng rãi trang thiết bị công nghệ kỹ thuật ngành, như: chế tạo máy, đúc, luyện kim, giao thông, hàng hải, khai thác mỏ, hàng không, ngành công nghiệp nhẹ… Chúng thường sử dụng dạng hệ truyền động kẹp giữ, vận chuyển nâng hạ, di chuyển, phanh hãm, cấu tự động hóa, truyền mơ men quay,… Hệ thống TĐTL sử dụng rộng rãi chúng có nhiều ưu điểm mà hệ truyền động khác khơng có được, là: - Truyền lực cơng suất lớn - Có phạm vi điều chỉnh vô cấp vận tốc nhánh rộng, nhờ cho phép tạo chế độ làm việc hợp lý cấu chấp hành nhà máy; - Có khả đề phịng cố cho máy thủy lực bị tải; - Cho phép đảo chiều chuyển động dễ dàng mà thay đổi hướng chuyển động động dẫn động; - Có thể đảm bảo cho máy làm việc ổn định, không phụ thuộc vào thay đổi tải trọng ngồi - Kết cấu gọn nhẹ, có quán tính nhỏ trọng lượng đơn vị cơng suất truyền động nhỏ, ưu điểm có ý nghĩa lớn hệ thống tự động, dễ sử dụng điều khiển đơn giản; - Chuyển động êm, khơng có tiếng ồn; - Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ; - Dầu truyền động dầu khống vật nên dầu bơi trơn chi tiết làm việc Tuy vậy, truyền động thủy lực có nhược điểm sau: - Về tác động nhanh làm việc với điều khiển từ xa, chúng khơng hệ điều khiển điện - điện tử - Vận động truyền động bị hạn chế phải đề phịng tượng va đập thủy lực, tổn thất cột áp, tổn thất công suất lớn xâm thực - Khó làm kín phận làm việc, chất lỏng làm việc dễ bị rò rỉ khơng khí bên ngồi dễ lọt vào, dẫn đến tổn thất chất lỏng làm việc qua vòng đệm khe hở làm giảm hiệu suất tính chất làm việc ổn định truyền động, gây ô nhiễm khu vực làm việc; - Chất lỏng làm việc bị nóng lên nhiều, nên cần có thiết bị làm nguội chống cháy; 66 - Hiệu suất hệ TĐTL nhỏ hiệu suất hệ truyền động khí điện điện tử - Yêu cầu chất lỏng làm việc thường phức tạp: độ nhớt phải tích hợp thay đổi nhiệt độ áp suất thay đổi, khơng ăn mịn kim loại, khơng độc… Do truyền động thủy lực có nhiều ưu điểm nên ngày sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp Trong công nghiệp mỏ hệ thống truyền động thủy lực dùng máy gạt, máy khoan xoay cầu, máy xúc thủy lực, thiết bị vận tải, máy liên hợp đào lị, máy khấu, máy tuyển khống…Truyền động thủy lực ngày dùng nhiều máy hệ thống điều khiển tự động dây chuyền sản xuất Vì việc nghiên cứu hệ thống truyền động việc làm thiếu Truyền động thủy lực chia làm hai loại: Truyền động thủy lực động truyền động thủy tĩnh 3.1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động thuỷ lực Hệ thống truyền động thuỷ lực (TĐTL) chia thành hai loại sau: - Loại đường dẫn: (Sơ đồ a) Chất lỏng làm việc nạp lượng từ nguồn bên để đến động thuỷ lực thông qua đường ống dẫn - Loại bơm: (Sơ đồ b) Chất lỏng làm việc nạp lượng nhờ máy bơm đầu đường ống dẫn Hệ điều khiển Động thuỷ lực Cơ Phụ tải Đường dẫn chất Lỏng có áp Sơ đồ a Thuỷ Hệ điều khiển Động dẫn động Cơ Máy bơm Động thuỷ lực Cơ Phụ tải Sơ đồ b Thuỷ Hình 3-1 Sơ đồ cấu trúc hệ thớng TĐTL Thơng qua chuyển hố lượng từ phận tạo dòng áp lực đến động thuỷ lực người ta nhận thông số làm việc TĐTL thích ứng với thay đổi phụ tải Hệ điều khiển dùng để tác động lên phận tạo dòng áp lực, lên chất lỏng làm việc lên động thuỷ lực Thông số điều khiển điều chỉnh lưu lượng, áp suất hay hướng chuyển động dòng chất lỏng làm việc 67 Để phù hợp chuyển động cấu chấp hành, dạng chuyển động đầu động thuỷ lực tịnh tiến theo đường thẳng (xy lanh lực), quay tròn theo tâm quay (các tua bin thuỷ lực) quay với góc quay (xy lanh mơmen) 3.2 Các thơng số hệ thống truyền động thuỷ lực Trong hệ thống truyền động thuỷ lực có ba phận quan trọng nhất, là: Bộ phận tạo dịng áp lực (máy bơm); động thuỷ lực; phận điều khiển điều chỉnh Các phận gọi phận cơng tác chính, chúng có thơng số sau: 3.2.1 Lưu lượng Q Là lượng chất lỏng chuyển động qua phận công tác đơn vị thời gian, (m /s; l/s; kg/s…) 3.2.2 Cột áp H (hoặc áp suất p) Là độ biến đổi lượng tồn phần dịng chất lỏng qua phận công tác; (mH20; N/m2…) ta có quan hệ áp suất p với cột áp H sau: p =  H;  =  g Trong đó:  - trọng lượng riêng chất lỏng, N/m3;  - khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3; g - gia tốc trọng trường, m/s2; 3.2.3 Công suất N Là lượng mà dòng chất lỏng trao đổi với phận công tác đơn vị thời gian, (kgm/s; kW…) 3.2.4 Hiệu suất  Đặc trưng cho hiệu truyền lượng dòng chất lỏng với phận công tác Hiệu suất chung phận cơng tác tính sau: + Bơm: B = tl.ll.ck (3-1) + Động thuỷ lực Đ = tl.ll.ck (3-2) Trong đó: tl - Hiệu suất thuỷ lực; ll - Hiệu suất lưu lượng; ck - Hiệu suất khí Nếu gọi 0 hiệu suất đường dẫn chất lỏng làm việc hiệu suất chung hệ thống TĐTL là: TĐTL = BĐ0 (3-3) Từ ta thấy hiệu suất truyền động thuỷ lực tương đối thấp, tích thành phần hiệu suất nhỏ Do để nâng cao hiệu suất TĐTL cần phải hoàn thiện tốt chi tiết thành phần 3.2.5 Tỉ số truyền i Là tỉ số vòng quay động thuỷ lực với số vòng quay máy bơm: 68 i = nĐ/nB (3-4) 3.2.6 Hệ số biến tốc (hệ số biến đổi mô men) kM Là tỉ số mô men quay tác dụng lên trục bánh tua bin (động thuỷ lực) với mô men quay tác dụng lên trục máy bơm: KM = MĐ/MB (3-5) Do: N = M. = M..n/30, Nên kM = MĐ/MB = (NĐ/NB ).nB/nĐ = TĐTL/i Vậy: TĐTL = i.kM (3-6) đây:  = n/30 tốc độ góc n tốc độ quay máy Thường kM>1, cịn i 50 MN/m , độ nhớt là: (3-13)  p= (1 + 0,01p). đây:  0- độ nhớt độ nhớt động học dầu áp suất khí quyển;  p- độ nhớt độ nhớt động học dầu áp suất p 3.3.2.5 Nhiệt độ bốc cháy Là nhiệt độ bể dầu hở, tự tạo thành hỗn hợp dầu bốc cháy.Với dầu khống vật nằm khoảng 170-2400C, khơng nguy hiểm khả tự cháy 3.3.2.6 Nhiệt độ đông đặc Là nhiệt độ mà dầu tác dụng trọng lực không chảy Đặc biệt cần ý đến loại dầu dùng cho thiết bị thủy lực làm việc môi trường nhiệt độ thấp 3.3.2.7 Tính lão hóa Có thể xảy o xi hóa pơlime hóa dầu; ô xi hóa dẫn dến hư hỏng kim loại, cịn polime hóa phát sinh nhựa dầu mỏ khơng hịa tan dầu nhựa cứng; Nó làm tăng mài mòn nguy hiểm cắt, làm tắc nghẽn khe hẹp lưu thông dầu, qua ngừng hoạt động thiết bị thủy lực Có tiêu mà người ta dựa vào để thay dầu cho thiết bị thủy lực, là: - Chỉ số xà phịng hóa (tạo sút, tạo bọt) - Chỉ số trung hòa - Hàm lượng tạo nhựa Ba thông số tiêu để đánh giá lão hóa dầu thủy lực, xem bảng – Bảng - Các thơng sớ đánh giá lão hóa dầu thủy lực Thơng số Chỉ số trung hịa, mgKOH/g Chỉ số xà phịng hóa, mgKOH/g Hàm lượng nhựa, % Dầu 0,05 0,15 0,5 Dầu cũ 1,5 3,0 1,5 Chỉ số trung hịa cho khối lượng KOH tính mg cần thiết để trung hịa a xít tự chứa gam dầu Hiện chưa có phương pháp đơn giản để xác định gí trị này, mà người ta thử giọt lên giấy lọc so sánh mẫu dầu Ngồi tính chất đây, dầu thủy lực cịn phải đáp ứng u cầu khác, như: khơng tạo nhũ có nước, phải có khả bơi trơn tốt, có khả hịa tan khí, khơng có tác dụng hóa học lên bề mặt thiết bị thủy lực 3.3.3 Khí dầu thủy lực Chất khí tồn thiết bị thủy tĩnh dạng khí hịa tan dầu khí tự dạng bọt khí nhỏ xốp Khí dạng khơng hịa tan ảnh hưởng 71 trực tiếp đến tính chất làm việc thiết bị Hỗn hợp dầu - khí ’p thay đổi lượng khí ít, đặc biệt áp suất thấp đến 20at Do người ta đưa hệ số hiệu chỉnh b’ cho ’p: ’’p = b’’p (3-14) đây: b’- hệ số điều chỉnh (xem hình.3-2); ’p hệ số nén dầu nguyên chất Sự làm nóng cục đến700 0C dịng khí dẫn đến lão hóa sớm dầu Sự có mặt khí ngun nhân tăng tiếng ồn máy bơm phận điều chỉnh Ngun nhân hịa tan khí vào dầu ống hút vào buồng hút khơng kín, làm cho khí dược hút vào với dầu Hình.3-2 Hệ sớ điều chỉnh cho p Vk - thể tích khí; Vđ thể tích dầu Những biện pháp làm giảm tác hại khí: - Áp suất chân khơng cửa hút phải giữ cho đủ nhỏ; - Ống hút ngắn thẳng (