Thủy lực và máy thuỷ lực là môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu các quy luật cân bằng, chuyển ñộng của chất lỏng và ứng dụng các quy luật ñó giải quyết các bài toán tính toán thiết kế các công trình liên quan đồng thời trang bị cho sinh viên các kiến thức cơ bản về một số loại máy thuỷ lực thông dụng. Cơ sở lý luận của thủy lực học là vật lý, cơ học lý thuyết, cơ học chất lỏng lý thuyết. Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm.
PHẦN I: THỦY LỰC CHƯƠNG MỞ ðẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔN HỌC Thủy lực máy thuỷ lực môn khoa học ứng dụng, nghiên cứu quy luật cân bằng, chuyển ñộng chất lỏng ứng dụng quy luật giải tốn tính tốn thiết kế cơng trình liên quan ðồng thời trang bị cho sinh viên kiến thức số loại máy thuỷ lực thông dụng Cơ sở lý luận thủy lực học vật lý, học lý thuyết, học chất lỏng lý thuyết Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp chặt chẽ phương pháp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm Thủy lực Máy thủy lực CHƯƠNG MỞ ðẦU 1.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Tính liên tục Tính có khối lượng trọng lượng Khối lượng riêng: Trọng lượng riêng: ∆M ρtb = ∆V γ = ρ ρg ðối với nước nhiệt ñộ 40C áp suất atm: ρ = 1000 kg/m3 γ = 9810 N/m3 Tỷ trọng, tỷ khối: δ = ρ/ρΝ = γ/γΝ Thủy lực Máy thủy lực Tính thay ñổi thể tích thay ñổi nhiệt ñộ hay áp suất a) Do thay ñổi áp suất: ∆V βp = − V ∆p βp - hệ số co thể tích thay đổi áp suất Khi p = 1÷ 500 at t = ÷ 200C thì: βp = 5.10-5 (cm2/KG) b) Do thay ñổi nhiệt ñộ: ∆V βt = V ∆t Với ñiều kiện áp suất bình thường, nước: t = 4÷100C: βt = 14.10-5(1/t0) t =10÷200C: βt = 15.10-5(1/t0) Tùy theo β chất lỏng chia thành chất lỏng chịu nén khơng chịu nén: β = (ρ = const): chất lỏng không chịu nén β ≠ (ρ ≠ const): chất lỏng chịu nén Thủy lực Máy thủy lực Tính nhớt chất lỏng Thể sức dính phần tử phần tử chất lỏng hay chất lỏng với chất rắn τ = ±µ du dn µ: Hệ số nhớt (ñộ nhớt) N.s/m2 Poazơ (P), 1P = 0.1Ns/m2 Ngồi hệ số nhớt động lực cịn dùng hệ số nhớt động học ν = µ/ρ (m2/s, Stốc St) 1St=1cm2/s µ ≠0: Chất lịng thực µ = ρ =const: Chất lỏng lý tưởng Thủy lực Máy thủy lực 1.3 LỰC TÁC DỤNG VÀ ỨNG SUẤT Lực khối: Là lọai lực thể tích tác ñộng lên tất phần tử chất lỏng nằm khối chất lỏng mà ta xét Lực mặt: Là ngoại lực tác dụng lên bề mặt thể tích chất lỏng ta xét tác dụng lên bề mặt nằm khối chất lỏng ta xét Ứng suất: tác ñộng lực tác dụng tạo ứng suất ñiểm chất lỏng gồm ứng suất pháp ứng suất tiếp ñược thể tenxo ứng suất: σx τxy τxz τyx σy τyz τzx τzy σz Thủy lực Máy thủy lực CHƯƠNG II THỦY TĨNH HỌC 2.1 ÁP SUẤT VÀ ÁP LỰC THỦY TĨNH ur p = lim ω →0 ur P ω P - áp lực p - áp suất thủy tĩnh Tính chất áp suất thủy tĩnh Áp suất thủy tĩnh tác dụng thẳng góc với diện tích chịu lực hướng vào diện tích Áp suất thủy tĩnh điểm chất lỏng theo phương Thủy lực Máy thủy lực 10 2.2 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CÂN BẰNG ƠLE z dz p dx px2 pdx p+ x2 M dy dx x y Thủy lực Máy thủy lực 11 Thiết lập phương trình Gọi p - áp suất thủy tĩnh F(Fx,Fy,Fz) - lực khối ñơn vị Cân lực tác dụng lên khối chất lỏng theo phương ta ñược phương trình vi phân cân Ơle tĩnh: ∂p Fx − ρ ∂ x = ∂p =0 Fy − ρ ∂y ∂p =0 Fz − ρ ∂z ( − 1) Thủy lực Máy thủy lực 12 ðiều kiện cân bằng: Nhân phương trình hệ (2-1) riêng biệt với dx, dy, dz cộng vế với vế ta có: ∂p ∂p ∂p (Fx dx + Fy dy + Fz dz) − dx + dy + dz = ρ ∂x ∂y ∂z ∂p ∂p ∂p dx + dy + dz = dp ∂y ∂z ∂x dp Hay : (Fx dx + Fy dy + Fz dz) − = (2 − 2) ρ Nhận xét: Vế phải phương trình (2-2) vi phân toàn phần hàm p Như vậy, phương trình có nghĩa vế trái phải vi phân tồn phần hàm số Thủy lực Máy thủy lực 13 Vay (Fx dx + Fy dy + Fz dz) = d(− U) (2 − 3) Lực khối thỏa mãn phương trình (2-3) gọi lực khối Khi đó: dU + dp =0 ρ (2 − 4) Mặt ñẳng áp, mặt ñẳng thế: Mặt ñẳng áp mặt mà điểm có áp suất giữ giá trị khơng đổi (p=const) Mặt đẳng mặt mà điểm hàm giữ giá trị khơng đổi (U=const) Như từ phương trình (2-4) nhận thấy chất lỏng trạng thái cân mặt đẳng áp đồng thời mặt ñẳng Thủy lực Máy thủy lực 14 Thủy lực Máy thủy lực 103 Nguyên lý làm việc Trước làm việc phải mồi bơm cho thân bơm ống hút đầy chất lỏng Bánh cơng tác quay, phân tử chất lỏng bánh công tác ảnh hưởng lực ly tâm bị dồn từ ngồi, chuyển động theo máng dẫn ñi vào ống ñẩy với áp suất cao hơn, ñây q trình đẩy ðồng thời, lối vào bánh cơng tác tạo nên vùng có áp suất chân không tác dụng áp suất bể chứa lớn áp suất lối vào bơm, chất lỏng bể chứa liên tục bị ñẩy vào bơm theo ống hút ðây trình hút bơm Q trình hút đẩy bơm q trình liên tục, tạo nên dịng chảy liên tục qua bơm 6 7 9 Po Po 5 8 Thủy lực Máy thủy lực 104 Lý thuyết bơm ly tâm a Phương trình Như phương trình MTL cánh dẫn, bơm ly tâm người ta thiết kế cho α1 = 900, phương trình có dạng: H LT u 2c 2u = g (1 − 1) U2 C2 α2 W1 C1 α1 W2 R2 R1 U1 Thủy lực Máy thủy lực 105 b Cột áp thực tế Cột áp tính theo cơng thức ứng với giả thiết MTL Trong thực tế giả thiết khơng thoả mãn Do đó, cột áp thực tế phải nhỏ cột áp trên: H = εz.ηH.HLT (1-2) εz – hệ số kể đến số canh dan bánh cơng tác có hạn, εz ≈0,8 ηH – hiệu suất cột áp (ηH = 0,70 – 0,90) c Lưu lượng bơm ly tâm Lưu lượng lý thuyết: QL = Cm π.D.b (2-6) Lưu lượng thực tế: Q = ηQQL (2-7) Cm – Hình chiếu vận tốc tuyệt đối c lên phương vng góc với u D, b - đường kính bề rộng bánh công tác ηQ - hiệu suất lưu lượng, ηQ = 0,95 – 0,98 Thủy lực Máy thủy lực 106 ðường đặc tính bơm ly tâm Các quan hệ: H = f1(Q); N = f2(Q); η = f3(Q) biểu thị đặc tính làm việc bơm: Biểu diễn dạng phương trình gọi phương trình đặc tính; biểu diễn dạng đồ thị ñường ñặc tính Các ñường ñặc tính xây dựng từ tính tốn gọi đường đặc tính tính tốn Nếu xây dựng từ thực đo gọi đường đặc tính thực nghiệm ðường đặc tính H = f1(Q) đường ñặc tính quan trọng gọi ñường ñặc tính n = const: gọi đường đặc tính làm việc n ≠ const: gọi đường đặc tính tổng hợp Cơng dụng đường đặc tính: biết ñược cách tổng quát ñặc tính làm việc bơm, cho phép ta mở rộng phạm vi làm việc sử dụng hợp lý chế ñộ làm việc khác bơm Thủy lực Máy thủy lực 107 Xây dựng đường đặc tính thực nghiệm bơm: H; N; Luu luong ke ;[Hck] K2 K CK AK H N Bom η [Hck] Q Sơ ñồ thí nghiệm ðường ñặc tính thực nghiệm Thủy lực Máy thủy lực 108 ðiểm làm việc ñiều chỉnh bơm ly tâm ðiểm làm việc: Giao đường đặc tính bơm đường đặc tính hệ thống ñiểm làm việc H H H n(B) DDT bom n(A) hw A A Ha B A B hw DDT he thong Q ðiểm làm việc Q ðiều chỉnh khóa Q ðiều chỉnh số vịng quay ðiều chỉnh bơm: Thủy lực Máy thủy lực 109 2.2 BƠM PITÔNG Máy thủy lực thể tích Máy thuỷ lực thể tích thực trao đổi lượng với chất lỏng theo nguyên lý nén chất lỏng thể tích kín áp suất thuỷ tĩnh MTL thể tích gồm ba dạng: Dạng Pittong, dạng Roto dạng Pittong - Roto Bất kỳ MTL thể tích làm việc thuận nghịch Các thông số máy thủy lực thể tích a Lưu lượng: tổng thể tích làm việc máy ñơn vị thời gian QL = qL.n (2-1) qL – lưu lượng riêng máy chu kỳ làm việc n – số chu kỳ ñơn vị thời gian QL – lưu lượng trung bình lý thuyết Thủy lực Máy thủy lực 110 b) Áp suất: cột áp MTLTT ñược tạo nên chủ yếu thay ñổi áp suất tĩnh chất lỏng chuyển động qua máy, thường dùng áp suất ñể biểu thị khả tải máy ðối với MTLTT có chuyển động tịnh tiến, áp suất làm việc p tác dụng lên pittông tạo nên áp lực P: P = p.S (2-2) S: diện tích làm việc mặt pittơng ðối với MTLTT có chuyển động quay, áp suất làm việc p tác dụng lên rôto tạo nên mômen quay M: M = kM.p (2-3) kM số ñối với máy ñịnh phụ thuộc vào kết cấu kích thước máy, gọi hệ số mơmen Hệ số mơmen kM suy từ cơng thức tính cơng suất lý thuyết bỏ qua tổn thất: kM = qL 2π (2 − 4) Thủy lực Máy thủy lực 111 c) Hiệu suất công suất Hiệu suất tồn phần máy thủy lực xác định theo cơng thức chung, MTL tổn thất thủy lực tương ñối nhỏ nên thường cho ηH ≈ 1, đó: η = ηQ.ηC (2-5) Cơng suất làm việc bơm thường ñược xác ñịnh thông số thủy lực: NB = γ.Q.H p.Q = η η (2 − 6) Công suất làm việc ñộng thường ñược xác ñịnh thông số khí: - Với chuyển động tịnh tiến: Nð = P.v (2-7) P: áp lực pittông v: vận tốc pittơng - Với chuyển động quay: Nð = M.ω (2-8) M: mơmen quay trục ω: vận tốc góc Thủy lực Máy thủy lực 112 Bơm Pittông a) Kết cấu: b) Nguyên lý hoạt ñộng c) Lưu lượng bơm Lưu lượng trung bình lý thuyết: QL = q.n S.L.n = 60 60 ( − 9) A B Lưu lượng trung bình thực tế: Q = ηQ.QL (2-10) • Lưu lượng tức thời: Qt = S.v (2-11) S - diện tích Pitong L - hành trình Pitong n - số vòng quay cấu quay, v/ph v - tốc ñộ Pitong L Thủy lực Máy thủy lực 113 Nhận xét: Qua phần phân tích tính tốn ta thấy suất bơm pittơng điều chỉnh biện pháp sau: Thay đổi số vịng quay trục ñộng cơ, thay ñổi số chu kỳ làm việc bơm ñơn vị thời gian Thay ñổi diện tích làm việc pit tơng cấu ñặc biệt Thay ñổi chiều dài bước di chuyển nén (s) cách thay ñổi chiều dài làm việc tay biên truyền ðiều chỉnh khố (tiết lưu) để tháo bớt chất lỏng từ buồng ñẩy buồng hút bơm Thủy lực Máy thủy lực 114 Thủy lực Máy thủy lực 115 Thủy lực Máy thủy lực 116 Thủy lực Máy thủy lực 117