Giáo trình truyền động thủy lực và khí nén

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS Lê Quý Chiến (Chủ biên) TS Bùi Thanh Nhu GIÁO TRÌNH TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC & KHÍ NÉN DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2016 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Truyền động thuỷ lực khí nén TS Lê Quý Chiến (Chủ biên), TS Bùi Thanh Nhu tập thể giảng viên môn Máy thiết bị biên soạn, dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên Đại học hệ quy, ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử chuyên ngành CN Cơ điện mỏ, CN kỹ thuật điện tử, Công nghệ kỹ thuật điện 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 - khí nén Chương Kiến thức thủy lực; Chương Truyền động thủy lực; Chương Truyền động khí nén 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 - khí nén Ở cuối giáo trình có đưa bảng đơn vị thường dùng thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén, 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 Cơ khí – Động lực, 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 môn học nhiều năm, đồng thời có ý đến đặc thù đào tạo ngành Cơng nghệ kỹ thuật điện, điện tử khoa nhà trường Do trình độ kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn sách không tránh khỏi thiếu sót Rất mong bạn đọc góp ý xây dựng để nâng cao chất lượng giảng Quảng Ninh, tháng 08 năm 2016 Các tác giả Chương KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ THUỶ LỰC 1.1 Thủy tĩnh học 1.1.1 Khái niệm chất lỏng 1.1.1.1 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 cơng 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, cơng trình đường thủy, nắn dịng sơng, hệ thống dẫn tháo nước, cấp thoát nước khai thác v.v… 1.1.1.2 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 sơng 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, khôi phục nhiều công 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 Tơng) Thanh Hóa nhiều sơng đào khai thác từ kỷ XV, đến mang tên “sông 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 không 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 ngồi 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 Sông Hồng Khoái 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 Cơng 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 đô 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 tồn cho nhân dân; nhờ đê Sơng 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 hồn 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, môn 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 1.1.1.3 Tính chất vật lý chất lỏng a 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 b Các tính chất vật lý chất lỏng b1 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 b2 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 kG N 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  b3 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 b4 Tính chất thứ tư chất lỏng có sức căng mặt ngồi, tức có khả chịu ứng suất kéo không 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 ngồi 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 b5 Tính chất thứ năm chất lỏng có tính nhớt Trong thủy lực tính nhớt quan trọng, ngun 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, khơng 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 đó: (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 gọi stốc Bảng 1-1 hệ số nhớt vài chất lỏng m2 cm ; đơn vị s s 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 Trong đó: 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) + 0,0337.t + 0,000221.t Trong đó: Bảng 1-2 trị sớ 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 − - Giây Xê-bôn (ở Mỹ), ký hiệu ”S; v = 0,00220" S − 1,72 "R cm / s 1,80 "S cm2 / 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 1.1.1.4 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 3.4 Các phần tử hệ thống truyền động khí nén 3.4.1 Khái niệm chung Một hệ thống điều khiển bao gồm mạch điều khiển Mạch điều khiển theo tiêu chuẩn CHLB Đức (DIN 19226), mơ tả hình 3-11 Ở mạch điều khiển (hình 3-11) ta thấy có phần tử sau đây: - Phần tử đưa tín hiệu:nhận giá trị đại lượng vật lí, đại lượng vào lưu lượng áp suất ví dụ van hành trình, van áp suất Hình 3-11 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển hệ TĐKN với phần tử - Phần tử xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu nhận vào theo qui tắc lôgic xác định, làm thay đổi trạng thái phần tử điều khiển Ví dụ: van hành trình, van tiết lưu , van lôgic AND Phân tử điều khiển: điều khiển dòng lượng (lưu lượng) theo yêu cầu, làm thay đổi trạng thái cấu chấp hành Ví dụ: van đảo, chiều, ly hợp 136 - Cơ cấu chấp hành: làm thay đổi trạng thái đối tượng điều khiển, đại lượng mạch điều khiển.Ví dụ:xi lanh, động Những hệ thống TĐKN phức tạp bao gồm nhiều mạch điều khiển phần tử khác Dưới ta xem xét số phần tử hệ thống điều khiển khí nén 3.4.2 Van hành trình Van hành trình (cịn có tên gọi van phân phối, van đảo chiều) có nhiệm vụ điều khiển dịng lượng cách đóng hay mở hay chuyển đổi vị trí nhằm thay đổi hướng dịng lượng Hình 3-12 Sơ đồ ngun lí làm việc van hành trình - Ngun lí làm việc.(hình 3-12): chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12), cửa (1) bị chặn cửa (2) nối với cửa (3) Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12), ví dụ khí nén, nịng van dịch chuyển phía bên phải , lúc cửa (1) nối với cửa (2) cửa (3) bị chặn Nếu tín hiệu tác động cửa (12) ta được: lực lò xo, nòng van trở vị trí ban đầu Vị trí “khơng” vị trí chưa có tác dụng tín hiệu bên ngồi vào Đối với van có vị trí vị trí giữa, kí hiệu “o” vị trí khơng, cịn van có hai vị trí vị trí “khơng” “A” “B’ thơng thường vị trí bên phải “B” vị trí “0” cửa nối van kí hiệu theo bảng 3-4 Bảng 3-4 kí hiệu cửa nới van hành trình Kí hiệu cửa nối van Bảng số (ISO 5599) Bảng chữ (ISO 1219) Cửa nối với nguồn khí nén P Cửa nối làm việc 3,5,7 A,B,C Cửa xả khí nén 3,5,7 R,S,T Cửa nối tín hiệu điều khiển 12,14 X,Y Bên vng vị trí đường thẳng có mũi tên, hướng chuyển động dịng khí nén qua van Nếu dịng bị chặn lại biểu diễn dấu gạch ngang - Tín hiệu tác động: Nếu tín hiệu lị xo nằm phía bên phải kí hiệu van hành trình, van có vị trí “ khơng” vị trí vng phía bên phải kí hiệu 137 van hành trình kí hiệu “o” điều có nghĩa chưa có tín hiệu tác động vào nịng va lị xo ln tác động giữ vị trí tín hiệu tác động Trên hình 3-13 a) hình 3-13 b) sơ đồ cấu tạo kí hiệu số loại van đảo chiều - Van đảo chiều 3/2, tác động tay - nút ấn Van đảo chiều 3/2 Van đảo chiều 4/2, tác động tay - bàn đạp Van đảo chiều 4/2 Hình 3-13 a) Sơ đồ cấu tạo kí hiệu sớ loại van đảo chiều 138 Hình 3-13 b) sơ đồ cấu tạo kí hiệu sớ loại van đảo chiều 3.4.3 Van chắn Van chắn (hay van chặn ) loại van mà cho dịng khí nén theo chiều, chiều ngược lại bị chặn.Van chắn gồm loại sau: - Van chiều - Van logic OR - Van logic AND - Van xả khí nhanh 139 3.4.3.1 Van chiều Van chiều có tác dụng cho dịng khí nén qua chiều, chiều ngược lại bị chặn Nguyên lí làm việc kí hiệu thể hình 3-14 dịng khí nén từ A qua B bị chặn Hình 3-14 Van chiều kí hiệu 3.4.3.2 Van logic OR Hình 3-14 Van Or kí hiệu Sơ đồ nguyên lí làm việc kí hiệu van logic Or hình 3-14 có dịng khí nén qua cửa p1, đẩy pitông trụ van sang bên phải, chắn cửa P2 cửaP1 nối với cửa A Hoặc có dịng khí nen qua cửa P2 đẩy pít tơng trụ sang bên trái chắn cửa P1 cửa P2 nối với cửa A Như OR có chức nhận tín hiệu điều khiển vị trí khác hệ thống điều khiển 3.4.3.3 Van logic AND Sơ đồ cấu tạo nguyên lí làm việc kí hiệu van logic AND hình 3-15: có dịng khí nén qua cửa P1, đẩy pitông trụ van sang bên phải, chắn cửa P2> Nếu có dịng khí nén qua cửa P2 đẩy pít tơng trụ sang bên trái, chắn cửa P2 Nếu có dịng khí nén đồng thời qua hai cửa P1 P2 cửa A nối thơng có dịng khí nén qua Như van logic AND có chức nhận tín hiệu điều khiển lúc vị trí khác hệ thống điều khiển Hình 3-15 Van logic AND kí hiệu 140 3.4.3.4 Van xả khí nhanh Hình 3-16 Van xả khí nhanh Sơ đồ cấu tạo, nguyên lí làm việc kí hiệu va xả khí nhanh hình 3-16 Khi dịng khí nén qua cửa P đẩy pitông trụ sang phải, chắn cửa R, nên cửa P nối với cửa A Khi có dịng khí nén qua A, đẩy pítơng trụ sang bên trái, chắn cửa P, cửa A nối thông với cửa R Van xả khí nhanh thường lắp vị trí gần cấu chấp hành, ví dụ pít tơng có nhiệm vụ xả khí nhanh ngồi khí 3.4.4 Van tiết lưu Nhiệm vụ van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức điều chỉnh vận tốc thời gian chạy cấu chấp hành Nguyên lí làm việc van tiết lưu lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào thay đổi tiết diện Van tiết lưu có nhiều loại khác nhau: loại có tiết diện khơng thay đổi, loại có tiết diện thay đổi loại có tiết diện khơng đổi kí hiệu hình 3-17 Hình 3-17 Kí hiệu van tiết lưu có tiết diện khơng thay đổi 3.4.4.1 Van tiết lưu có tiết diện thay đổi Hình 3-18 Van tiết lưu có tiết diện thay đổi 141 Trên hình 3-18 sơ đồ cấu tạo kí hiệu van tiết lưu có tiết diện thay đổi điều chỉnh lưu lượng dòng chảy Loại tiết lưu hai chiều, dịng khí nén từ A qua B ngược lại Tiết diện khe hở Ax thay đổi vít điều chỉnh 3.4.4.2 Van tiết lưu chiều điều chỉnh tay Sơ đồ cấu tạo, nguyên lí làm việc kí hiệu loại van thể hình 3-19 Để thay đổi khe hở Ax dùng vít điều chỉnh tay Khi dịng khí nén từ A qua B, lị xo đẩy màng chắn xng dịng khí nén từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo, đẩy màng chắn nên dịng khí nén qua khoảng hở màng chắn mặt tựa màng chắn, lưu lượng không điều chỉnh Hình 3-19 Van tiết lưu chiều điều chỉnh tay kí hiệu 3.4.5 Van áp suất Van áp suất bao gồm số loại: van an toàn, van tràn, van giảm áp, áp suất điều chỉnh (rơle áp suất) Dưới giới thiệu số loại van áp suất thường gặp hệ thống TĐKN 3.4.5.1 Van an tồn Hình 3-20 Sơ đồ cấu tạo kí hiệu van an tồn 142 Nhiệm vụ van n toàn giữ ổn định áp suất hệ thống điều khiển khí nén giá trị lớn cho phép mà hệ thống tải dược.Khi áp suất lớn áp suất cho phép hệ thống dịng áp suất nén thắng lực lị xo, đẩy pitơng lên, khí nén theo cửa R ngồi khí (hình 3-20) 3.4.5.2 Van tràn Về ngun lí làm việc van tràn giống van an tồn Nhưng khác áp suất cửa P đạt giá trị xác định cửa P nối với cửa A, nối với hệ thống điều khiển khí nén Sơ đồ kí hiệu van tràn thể hình 3-21 Hình 3-21 Kí hiệu van tràn: 3.4.5.3 Van giảm áp Van giảm áp van điều chỉnh áp suất (Hình 3-21) Nhiệm vụ van luôn giữ cho áp suất điều chỉnh khơng đổi, có thay đổi bất thường tải trọng đường giao động áp suất đường vào van Nguyên lí làm việc là: điều chỉnh trục vít, tức điều chỉnh van, trường hợp áp suất đường tăng lên so với áp suất điều chỉnh, khí nén qua lỗ thơng tác dụng lên màng , vị trí kim van sữ thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí bên ngồi Cho đến áp suất đường giảm xuống áp suất điều chỉnh ban đầu, vị trí kim van trở vị trí ban đầu Hình 3-21 Cấu tạo kí hiệu van giảm áp 143 Câu hỏi chương Khái niệm truyền động khí nén? Lý thuyết chất khí truyền dẫn áp lực? Cơ sở tính tốn lưu lượng khí qua điều chỉnh tiết lưu? Phân tích hệ thống điều khiển bao gồm mạch điều khiển Mạch điều khiển theo tiêu chuẩn CHLB Đức (DIN 19226), mơ tả hình 3-11 sơ đồ hệ truyền động khí nén? Phân tích đặc điểm, cấu tạo, tác dụng van truyền động khí nén? TÀI LIỆU HỌC TẬP VÀ THAM KHẢO [1] Vũ Văn Tảo, Nguyễn Cảnh Cầm, Thuỷ lực NXB KH - 1978 [2] Nguyễn Đức Sướng, Truyền động thuỷ lực và khí nén Đại học mỏ - Địa chất, Hà Nội -1998 [3] Doãn Văn Thanh, Truyền động thuỷ lực Trường Cao đẳng kỹ thuật mỏ Quảng Ninh - 2001 [4] Vũ Nam Ngạn, Truyền động thuỷ lực và khí nén Đại học mỏ - Địa chất, Hà Nội - 2007 [5] Nguyễn Đức Sướng, Vũ Nam Ngạn, Máy thuỷ khí Đại học mỏ - Địa chất, Hà Nội - 2004 [6] Đinh Ngọc Ái Nnk, Thuỷ lực và máy thuỷ lực NXB ĐH THCN, Hà Nội - 1972 [7] Hồng Thị Bích Ngọc, Máy thuỷ lực thể tích Hà Nội - 1998 [8] Lê Quý Chiến, Thuỷ lực Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh - 2008 [9] Nguyễn Ngọc Nghìn, Bùi Thanh Nhu, Lê Quý Chiến, Truyền động dầu ép và khí nén Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh - 2010 [10] Lê Quý Chiến, Bùi Thanh Nhu, Thuỷ lực và máy thuỷ lực Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh - 2011 144 PHỤ LỤC BẢNG : CÁC ĐƠN VỊ THƯỜNG DÙNG TRONG TĐ THUỶ LỰC & KHÍ NÉN Đại lượng Đơn vị MKS Đơn vị SL Chiều dài m m Thời gian s s Chuyển đổi Khối lượng kGs /m kg Lực kG N 1kG = 9,81N p suất, mô đun đàn håi kG/m2 Pa = N/m2 1kG/m2 = 9,81Pa Công kG.m J = Nm 1kGm = 9,81J Công suất kGm/s W = Nm/s 1kGm/s = 9,81W Hệ số nhớt kG.s/m2 P( poadơ ) Hệ số nhớt động học cm2/s cm2/s BẢNG 2: HỆ SỐ NHỚT CỦA MỘT SỐ CHẤT LỎNG (ở nhiệt độ 200C) Tên chất lỏng Hệ số nhớt ( ), P( Poadơ ) Xăng 0,0065 Nước 0,0101 Dầu hoả 0,0250 Dầu mỏ nhẹ 0,25 Dầu mỏ nặng 0,4 Dầu nhờn 1,72 Glixerin 8,703 BẢNG 3: HỆ SỐ NHỚT ĐỘNG HỌC CỦA NƯỚC PHỤ THUỘC VÀO NHIỆT ĐỘ t,0C  , em2/s t0 , C  , em2/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 60 0,0043 145 BẢNG : HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG LƯU LƯỢNG Ống bình thường d (mm) x 10 (dm2) K (l/s) K2/1000 1000 r K (l/s) 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1,963 4,418 7,854 12,272 17,671 31,416 49,087 70,686 96,212 125,664 159,043 196,350 282,743 384,845 502,655 636,171 785,398 950,334 1130,976 1327,326 1539,384 8,313 24,77 53,61 97,39 158,4 340,8 616,4 999,3 1503 2140 2920 3857 6239 9362 13301 18129 23911 30709 38601 47604 57807 0,0691 0,5136 2,874 9,485 25,091 116,15 379,9 998,6 2259 4580 8526 14876 38925 87647 176917 328661 571736 943043 1490037 2266140 3341649 14,472 1,6297 0,34795 0,10543 0,03985 0,00861 0,00263 0,00100 0,443.10-3 0,218.10-3 0,117.10-3 0,672.10-4 0,257.10-4 0,114.10-4 0,565.10-4 0,304.10-5 0,175.10-5 0,106.10-5 0,671.10-6 0,441.10-6 0,299.10-6 9,947 29,27 62,85 113,5 183,9 393,0 707,6 1143 1715 2435 3316 4374 7053 10560 14973 20373 26832 34416 43211 53232 64581 Ống gang K2/1000 1000 r K (l/s) 0,0980 0,8567 3,950 12,882 33,819 154,45 500,70 1306 2941 5929 10996 19132 49745 111514 224191 415059 719956 1184461 1867191 2833646 4170705 10,111 1,1672 0,25316 0,07763 0,02957 0,00647 0,00200 0,766.10-3 0,340.10-3 0,169.10-3 0,909.10-4 0,523.10-4 0,201.10-4 0,897.10-5 0,445.10-5 0,241.10-5 0,139.10-5 0,844.10-6 0,536.10-6 0,353.10-6 0,240.10-6 10,10 29,70 63,73 115,1 186,3 398,0 716,3 1157 1735 2463 3354 4423 7131 10674 15132 20587 27111 34769 43650 53769 65226 Ống thép K2/1000 1000 r 0,1020 0,8821 4,061 13,248 34,708 158,40 513,09 1339 3007 6066 11249 19563 50851 113934 228977 423825 735006 1208883 1905323 2891105 4254431 9,804 1,1337 0,24624 0,07548 0,02881 0,00631 0,00195 0,747.10-3 0,333.10-3 0,165.10-6 0,889.10-4 0,511.10-4 0,197.10-4 0,878.10-5 0,437.10-5 0,236.10-5 0,136.10-5 0,827.10-6 0,525.10-6 0,346.10-6 0,235.10-6 BẢNG 5: HỆ SỐ ĐẶC TRƯNG LƯU LƯỢNG Hệ số C tính theo công thức: C = d (mm)  (m2) 50 75 100 125 150 175 200 225 250 300 350 400 450 500 600 700 750 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0,00196 0,00442 0,00785 0,01227 0,01767 0,02405 0,03142 0,03976 0,04909 0,07068 0,09621 0,12566 0,15904 0,19635 0,28274 0,38485 0,44179 0,50266 0,63617 0,78510 1,13090 1,53940 2,01060 2,54470 3,14160 1/ R n Ống Co = 1/n = 90 (n = 0,011) K (l/s) Ống thường Co = 1/n = 80 (n = 0,0125) Ống bẩn Co = 1/n = 70 (n = 0,0143) 96,24.10-1 28,37 61,11 110,80 180,20 271,80 388,00 531,20 703,50 11,44.102 17,26.102 24,64.102 33,73.102 44,67.102 72,64.102 10,96.103 13,17.103 15,64.103 21,42.103 28,36.103 46,12.103 69,57.103 99,33.103 136,00.103 180,10.103 84,60.10-1 24,94 53,72 97,40 158,40 238,90 341,10 467,00 616,40 10,06.102 15,17.102 21,66.102 29,65.102 39,27.102 63,86.102 96,32.102 11,58.103 13,75.103 13,83.103 24,93.103 40,55.103 61,16.103 87,32.103 119,50.103 158,30.103 74,03.10-1 21,83 47,01 85,23 138,60 209,00 298,50 408,60 541,20 880,00 13,27.102 18,95.102 25,94.102 34,36.102 55,87.102 84,28.102 10,13.103 12,03.103 16,47.103 21,82.103 35,48.103 53,52.103 76,41.103 104,60.103 138,50.103 146 BẢNG 6: ĐỘ NHÁM TRUNG BÌNH  CỦA MỘT SỐ LOẠI ỐNG Đặc tính mặt ống Số thứ tự ,mm I Ống nguyên khai Ống đồng thau, đồng, kẽm 0,015 - 0,010 Ống thÐp nèi 0,020 - 0,10 Ống thÐp ®ang sư dơng 1,2 - 1,5 II Ống thép hàn nguyên khối Ống Ống tr¸ng bitum ~ 0,05 ống sử dụng ~ 0,10 Ống tình trạng xấu, chỗ nối không phủ  5,0 0,01 - 0,1 III Ống gang Ống míi 0,25 - 1,0 ống tráng bitum 0,10 - 0,15 10 Ống tráng atsphan 0,12 - 0,30 11 Ống sử dụng 12 Ống ®· sư dơng bÞ rØ 1,40 1,0 - 1,5 IV ống bê tông xi măng 13 Ống bê tông cú mt tt 14 ng bê tông điều kiện trung b×nh 15 ống bê tơng có mặt nhắm 16 Ống xi măng mới, chịu nóng 17 Ống bê tơng chịu nóng sử dụng 0,10 - 0,80 3,0 - 4,0 V Ống gỗ thủy tinh 18 Ống gỗ bào kỹ 19 Ống gỗ bào tương đối 2,5 147 0,05 - 1,10 ~ 0,50 MỤC LỤC `Lời nói đầu Chương Kiến thức thuỷ l 1.1 Thủy tĩnh học 1.1.1 Khái niệm chất lỏng 1.1.2 Áp suất thuỷ tĩnh 1.1.3 Phương trình vi phân chất lỏng cân 14 1.1.4 Định luật Pascal và ứng dụng 19 1.1.5 Áp lực chất lỏng lên thành phẳng và thành cong 23 1.1.6 Định luật Acsimét 25 26 1.2 Thủy động lực học 15 1.2.1 Một số định nghĩa và đặc trưng chuyển động chất lỏng 26 1.2.2 Phương trình Becnuli và ứng dụng 31 1.2.3 Tổn thất lượng dịng chảy 34 1.2.4 Tính tốn thuỷ lực cho dịng chảy và đường ớng 37 Chương TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC 2.1 Khái niệm chung truyền động thuỷ lực 56 56 56 56 2.1.1 Khái niệm truyền động thuỷ lực 2.1.2 Các thơng sớ hệ thống truyền động thuỷ lực 58 2.2 Truyền động thủy tĩnh 66 2.2.1 Khái niệm chung 66 2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc hệ truyền động thuỷ tĩnh (TĐTLTT) 68 2.2.3 Các phương pháp điều chỉnh chế độ làm việc hệ thống TĐTLTT 71 2.2.4 Các phần tử chủ yếu hệ thống truyền động thuỷ lực 79 2.2.5 Máy bơm tạo dòng áp lực 92 2.2.6 Mô tơ thủy lực (xi lanh lực và động thuỷ lực) 101 148 2.2.7 Tổn thất áp suất ống dẫn 105 2.2.8 Một số sơ đồ truyền động thuỷ lực thể tích dùng máy cơng nghiệp 110 2.3 Truyền động thủy động 111 2.3.1 Khái niệm và phân loại 111 2.3.2 Các thông số truyền động thuỷ động 111 2.3.3 Khớp nối thuỷ lực 112 2.3.4 Biến tốc thuỷ lực 119 125 Chương TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 3.1 Khái niệm chung truyền động khí nén 125 3.1.1 Khái niệm 125 3.1.2 Phân loại 3.1.3 Sơ đồ nguyên lý và phận hệ truyền động khí nén 125 3.1.4 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng truyền động khí nén 125 3.2 Chất khí truyền dẫn áp lực 125 3.2.1 Chất khí truyền dẫn áp lực 126 3.2.2 Cấu trúc truyền động khí nén 126 3.2.3 Lưu lượng khí qua điều chỉnh tiết lưu 126 3.2.4 Giá trị hệ số lưu lượng KV 127 3.2.5 Truyền động khí nén với xy lanh cơng tác 128 3.3 Tổn thất áp suất thiết bị truyền dẫn khí nén 130 3.3.1 Tổn thất áp suất ống dẫn thẳng 130 3.3.2.Tổn thất áp suất ớng dẫn có tiết diện thay đổi 133 3.3.3 Tổn thất áp suất loại van 134 3.3.4 Tổn thất áp suất ớng dẫn theo chiều dài tương đương 135 3.4 Các phần tử hệ thống truyền động khí nén 3.4.1 Khái niệm chung 136 136 149 137 3.4.2 Van hành trình 3.4.3 Van chắn 139 3.4.4 Van tiết lưu 141 3.4.5 Van áp suất 142 Tài liệu tham khảo 142 Phụ lục 145 Mục lục 148 150 ... nghiệp Quảng Ninh Giáo trình gồm chương, trình bày lý thuyết thuỷ lực học truyền động thuỷ lực - khí nén Chương Kiến thức thủy lực; Chương Truyền động thủy lực; Chương Truyền động khí nén Để củng cố... cao kĩ tính tốn thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén Ở cuối giáo trình có đưa bảng đơn vị thường dùng thuỷ lực truyền động thuỷ lực - khí nén, bảng tra cứu, đồ thị thuỷ lực để sinh viên tham... hoạ? 25 Trình bày cách tính toán thủy lực (xác định Q, hwd ) ống dài? 26 Trình bày cách tính tốn thủy lực cho đường ống dài đơn giản có dịng chảy ngồi trời? 27 Trình bày cách tính tốn thủy lực cho