Bài giảng kỹ thuật thủy khí ứng dụng (đại học thủy lợi)

§ H T L MÔN HỌC KỸ THUẬT THU T THỦY TH Y KHÍ NG D NG Giảng viên: ThS Nguyễn Hữu Tuấn Email : TuanNH@wru.vn § H T L MỞ ĐẦU BÀI MỞ ĐẦU § § H T L NỘI DUNG ĐỀ CƯƠNG, CÁCH TỔ CHỨC THI, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, NỘI DUNG ĐỀ CƯƠNG - Nội dung môn học gồm (17)chương + BT+ TH - Số tín chỉ: (2,1,0) CÁCH TỔ CHỨC THI - Hình thức thi: Tự luận (Khơng sử dụng tài liệu) - Số câu hỏi: câu - Thời gian làm bài: 90 phút ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ - Điểm trình: 30% (Bài tập + Chuyên cần) - Điểm thi kết thúc mơn: 70% BÀI MỞ ĐẦU § § H T L PHƯƠNG PHÁP HỌC, TÀI LiỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỌC Lý thuyết→ →Sơ đồ→ →Hình ảnh→ →Vật thực→ → Bài tập TÀI LiỆU SỬ DỤNG Kỹ thuật thủy khí ứng dụng – BM Máy xây dựng Thủy lực máy thủy lực - Tập II, Đinh Ngọc Ái, NXB ĐH & Trung học chuyên nghiệp, 1972 Giáo trình Trường chuyên ngành Các tài liệu nhóm máy riêng § H T L § H T L CHƯƠNG GiỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT THỦY KHÍ - Các khái ni m c b n - Ưu nh c m ng d ng - Các ph n t c a h th ng - Các h đ n v đo Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ § H T L Các nội dung chính: 1.1 Khái niệm định nghĩa 1.2 Ưu nhược điểm, ứng dụng kỹ thuật thủy khí 1.3 Các phần tử hệ thống thủy khí 1.4 Các hệ đơn vị đo Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Kỹ thuật thủy khí: cơng nghệ sử dụng chất lỏng chất khí có áp để truyền điều khiển lượng Kỹ thuật thủy khí (fluid power) thuật ngữ bao gồm thủy lực (hydraulics) khí nén (pneumatics) - Th y l c: môi chất công tác chất lỏng: nước, dầu mỏ, dầu tổng hợp - Khí nén: mơi chất cơng tác chất khí: khơng khí Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Phân loại: hệ thống v n chuy n hệ thống truy n đ ng - H th ng v n chuy n: Vận chuyển chất lỏng, chất khí từ nơi đến nơi khác, yêu cầu áp suất tối thiểu sức cản nhỏ VD: trạm bơm nước, đường ống khí đốt - H th ng truy n đ ng: Truyền lượng dùng để di chuyển tải lớn, phải có khả chịu áp suất cao VD: dẫn động máy ủi, máy đào, CV thủy lợi, thủy điện,… Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Lưu chất (fluid): Gồm chất lỏng chất khí (là chất phân tử di chuyển tự do) Chất khí (gas): lưu chất giãn nở điền đầy hồn tồn khơng gian cho; khối lượng riêng thay đổi đáng kể áp suất nhiệt độ thay đổi Chất lỏng (liquid): lưu chất chảy tác dụng trọng lực, lấy hình dạng bình chứa giảm đến mức nhỏ Khối lượng riêng chất lỏng thay đổi theo áp suất nhiệt độ Sự khác chất khí chất lỏng tính nén khơng nén Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Hệ thống khí nén: Do tính nén chất khí nên hệ thống khí nén có tính “đàn hồi” giãn nở nhanh, dẫn đến thời gian phản ứng nhanh Tuy nhiên, tính nén làm cho hệ thống khí nén điều khiển khó xác -> phù hợp với yêu cầu: Công suất nhỏ, khả tải nhỏ trung bình Độ xác khơng cao Phản ứng nhanh Chế tạo vận hành hệ thống khí nén rẻ Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Hệ thống thủy lực: Do tính khơng nén chất lỏng nên hệ thống thủy lực di chuyển lâu hơn, hoạt động áp suất cao có độ xác cao -> đáp ứng yêu cầu: Công suất lớn, khả tải cao Chính xác Chuyển động êm Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.2 § H T L ƯU NHƯỢC ĐiỂM, ỨNG DỤNG CỦA KTTK Truyền động khí: dùng bánh răng, puli, cáp, xích, để truyền lượng PP truyền lượng Truyền động điện: dùng dòng điện chạy dây dẫn để truyền lượng Truyền động thủy khí: dùng chất lỏng chất khí chảy áp suất để truyền lượng Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.2 § H T L ƯU NHƯỢC ĐiỂM, ỨNG DỤNG CỦA KTTK Dễ TĐH Đơn giản C.suất cao Ưu Kết cấu gọn ĐK vô cấp Đảo chiều c/đ Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.2 § H T L ƯU NHƯỢC ĐiỂM, ỨNG DỤNG CỦA KTTK Tổn thất Rò rỉ Nhược Y/c cao chế tạo Y/c chất lượng môi chất Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 Các thành phần bản: B m: Biến đổi công suất động dẫn động thành công suất thủy lực cấu chấp hành Đ ng c (điện, đốt trong): Dẫn động bơm Các van: Điều khiển hướng, áp suất lưu lượng dòng dầu từ bơm đến cấu chấp hành C c u ch p hành: chuyển lượng chất lỏng (áp năng) thành lực mô men xoắn (cơ năng) để thực cơng có ích CCCH xy lanh để tạo chuyển động thẳng, động thủy lực để tạo chuyển động quay Đ B ng ng: dẫn dầu từ vị trí đến vị trí khác ch a dầu thủy lực: đảm bảo chất lượng số lượng, làm mát dầu Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ Sơ đồ hệ thống thủy lực Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ Bơm (Hydraulic pump) Thùng chứa dầu (Tank) Van chiều (Check valve) Van an toàn (Pressure relief valve) Xi lanh lực – cấu chấp hành (Hydraulic cylinder) Van phân phối - van điều khiển hướng (Directional control valve) Van tiết lưu - van điều khiển lưu lượng (Flow control valve) Hệ thống thủy lực M – Động điện (Hydraulic system) Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ Các thành phần hệ thống khí nén: Bình khí: để chứa thể tích cho khí nén Máy nén khí: để nén khơng khí lấy trực tiếp từ khí Động điện động khác để dẫn động máy nén khí Các loại van: điều khiển hướng, áp suất lưu lượng Các cấu chấp hành: hoạt động tương tự cấu chấp hành thủy lực Đường ống: dẫn khí nén từ vị trí đến vị trí khác Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ Sơ đồ truyền động khí nén: Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 § H T L CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.3 53.1.1 52.1.1 54.1.1 4.1.2 53.1.2 52.1.2 51.1.1 51.1.2 50.1.1 50.1.2 48.1.1 49.1.1 49.1.2 48.1 200 bar p p t 47.1.1 § H T L 200 bar t 46.1.1 47.1.2 46.1.2 t t p a p b 45.1 p t 50 bar 200 bar 43 41 40 42 50 bar 200 bar 25 26 27 28 a 24 b b 22 23 b a 29 a a 21 b p t 05 03 p p 200 bar 200 b ar 04 t M 02 06 t 200 bar 07 08 M 09 10 BĨ dÇu 01 Chương 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ 1.4 § H T L CÁC HỆ ĐƠN VỊ ĐO Trong hệ Anh: Trong hệ mét SI: Chiều dài: foot (ft) Chiều dài: mét (m) Khối lượng: kilogram (kg) Khối lượng: slug=lb/(ft/sec^2) Lực: newton (N) Lực: pound (lb) Thời gian: giây (s) Thời gian: giây (s) So sánh: m = 39,4 in = 3,28 ft 1kg = 0,0685 slugs N = 0,225 lb ft = 0,3048 m in = 2,54 cm 12 in = ft slug = 14,59 kg lb = 4,448 N § H T L CHƯƠNG CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC - Các tính ch t v t lý c b n c a ch t l ng KHÍ TỪ MÁY NÉN VAN ĐIỀU KHIỂN - Các nguyên lý c b n c a th y l c - Các lo i t n th t đư ng ng Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L Các nội dung chính: 2.1 2.2 Các tính chất vật lý chất lỏng Các nguyên lý thủy lực - Định luật Pascal - Phương trình liên tục - Phương trình Bernoulli - Định lý Torricelli 2.3 Tổn thất ma sát đường ống Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Chất lỏng thủy lực có chức chủ yếu sau: Truyền cơng suất Bôi trơn phận chuyển động Làm kín khe hở phận Tản nhiệt Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Yêu cầu chất lỏng thủy lực: Bôi trơn tốt Độ nhớt lý tưởng Ổn định hóa học Tương thích với vật liệu hệ thống Mức độ không chịu nén cao Chống cháy tốt Khả truyền nhiệt tốt Khối lượng nhẹ Chống tạo bọt 10 Không độc hại 11 Tính bay thấp Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Các tính chất vật lý bản: - Kh i lư ng tr ng lư ng: w=m.g w trọng lượng (N, lb) m khối lượng (kg, slugs) g = 9,81 m/s2 = 32,2 ft/s2 - Kh i lư ng riêng: ρ (kg/m3, slugs/ft3) -Tr ng lư ng riêng: γ (N/m3, lb/ft3) - T tr ng: (SG) dau = γ dau γ nuoc (SG: Specific Gravity) Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG Các tính chất vật lý bản: - Áp su t: p= - Áp su t c t ch t l ng: p = γH F A p- áp suất đáy cột chất lỏng (lb/in2, N/m2) H- chiều cao cột chất lỏng – cột áp Áp su t khí quy n tiêu chu n (ở mực nước biển) = 14,7lb/in2 (psi), 101,3 kPa Áp su t t đ i (psia): ptuyệtđối = pđo + pkhíquyển Áp su t đo (psig):Đơn vị: bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 14,5 psi Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG - Mơ đun đàn h i th tích: β= − ∆p ∆V / V β = mô đun đàn hồi thể tích (psi, kPa), ∆p = lượng thay đổi áp suất (psi, kPa), ∆V= lượng thay đổi thể tích (in3, m3), V = thể tích ban đầu (in3, m3) Mơ đun đàn hồi thể tích cao chất lỏng chịu nén hay chất lỏng ‘cứng’ Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.1 § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG - Đ nh t: thuộc tính quan trọng chất lỏng thủy lực, thước đo sức cản chất lỏng đến dòng chảy Đ nh t cao s d n đ n Sức cản dòng chảy lớn, làm trình hoạt động chậm Tăng cơng suất tiêu thụ tổn thất ma sát Tăng tổn thất áp suất qua van đường ống Tăng nhiệt độ gây ma sát Đ nh t th p s d n đ n Tăng rò rỉ dầu qua phận lót kín Mài mòn mức vỡ màng dầu phận di động tiếp xúc Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG τ F/A µ= = Độ nhớt tuyệt đối 2.1 v/ y v/ y đây: τ = ứng suất trượt (sinh lực F) gây nên trượt lớp dầu kề nhau, (lb/ft2, N/m2); v = vận tốc chuyển động (ft/s, m/s); y = chiều dày màng dầu (ft, m); µ = độ nhớt tuyệt đối dầu (dyn.s/cm2 - poazơ (poise) F = lực tác dụng lên chuyển động bên (lb, N), A = diện tích bề mặt chuyển động tiêp xúc với dầu (ft2,m2) TẤM DI CHUYỂN CHIỀU DÀY MÀNG DẦU BIỂU ĐỒ VẬN TỐC (ĐỘ DỐC = ) v y TẤM CỐ ĐỊNH Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT LỎNG 2.1 Tính tốn hệ thống thủy lực thường dùng độ nhớt động học dùng độ nhớt tuyệt đối Độ nhớt động học: ν= cm2/s gọi stoke thường dùng centistokes (cS) µ ρ Chỉ số độ nhớt: số đo tương đối thay đổi độ nhớt dầu thay đổi nhiệt độ: VI = L −U x 100 L−H L = độ nhớt đo SUS dầu có số độ nhớt 100o F, U = độ nhớt đo SUS dầu có số độ nhớt chưa biết 100o F, H = độ nhớt đo SUS dầu có số độ nhớt 100 100o F Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 2.2.1 Định luật Pascal : “Áp su t m t kh i ch t l ng kín đư c truy n nguyên v n theo m i hư ng toàn b kh i ch t l ng tác d ng vng góc v i b m t ti p xúc v i ch t l ng” Định luật Pascal phát nguyên lý hệ thống truyền động thủy khí thực cơng có ích nào, sở truyền công suất khuếch đại lực nhờ chất lỏng Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 2.2.1 Định luật Pascal : Truyền lực chất lỏng: p1 = F1/A1 Theo Pascal: p1 = p2 F2 = p2 A2 F1 F2 = A1 A2 F2 A2 = F1 A1 Mặt khác A1S1 = A2S2 Ss A = S1 A2 Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2.2 Phương trình liên tục: Đ i v i dịng ch y n đ!nh đư ng ng, lưu lư ng tr ng lư ng cho t t c m t c"t b t kỳ c a đư ng ng - Nếu khơng có chất lỏng thêm vào hay lấy từ đường ống hai vị trí 2: γ1A1v1 = γ A2 v Đối với hệ thống thủy lực: γ1 = γ Q1 = A1v1 = A2v2 = Q2 v1  D2   = v  D1  Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2.3 Phương trình Bernoulli: Phương trình Bernoulli cho hệ thống lý tưởng khơng có ma sát khơng bao gồm bơm động thủy lực vị trí 2: Tổng lượng lb chất lỏng vị trí tổng lượng lb chất lỏng vị trí 2: Z gọi cột áp địa hình, p/γ gọi cột áp áp suất, Z1 + v2/2g gọi cột áp vận tốc p1 γ + v12 p v2 = Z2 + + 2g γ 2g Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2.3 Phương trình Bernoulli: Phương trình Bernoulli sửa đổi (gọi phương trình lượng): “T ng lư ng có kh i ch t l ng lb v! trí c ng v i lư ng thêm vào b i b m tr% lư ng l y t% đ ng c th y l c tr% lư ng m t mát ma sát, b&ng t ng lư ng có kh i ch t l ng lb đ n v! trí 2” Z1 + p1 γ + v12 p v2 + H p − H m − H L = Z2 + + 2g γ 2g Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2 § H T L CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.2.4 Định lý Torricelli: “Một cách lý tưởng vận tốc tia chất lỏng tự bậc hai hai lần tích gia tốc trọng trường với cột áp dòng tia” v2 = gh Hình 3-21 Hệ thống cho phương trình Torricelli Với chất lỏng thực tổn thất ma sát xảy ra, vận tốc thực dịng tia phụ thuộc độ nhớt chất lỏng v = g (h − H L ) Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.3 § H T L TỔN THẤT DO MA SÁT TRONG ĐƯỜNG ỐNG TL Ch y t'ng: - Chất lỏng chảy lớp mỏng, phần tử chất lỏng di chuyển theo đường song song ⇒ khơng có va chạm phần tử - Ma sát trượt êm liên tục lớp hay phần tử chất lỏng lớp hay phần tử chất lỏng khác Tính t n th t c t áp Tổn thất cột áp (HL) hệ thống thực tế bao gồm: Tổn thất ống Tổn thất van chỗ nối H L - T n th t ng tính b&ng phư ng trình Darcy:  L  v  = f     D  g  Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC 2.3 § H T L TỔN THẤT DO MA SÁT TRONG ĐƯỜNG ỐNG TL T n th t van đ'u n i (K): (Thường cho trước) Mất mát cột áp van đầu nối tỷ lệ với bình phương vận tốc chất lỏng:  v2  H L = K    2g  Chi u dài tư ng đư ng:  v2   Le  v  K   = f  D  g     2g   Le = KD f Le chi u dài tư ng đư ng van hay đầu nối có hệ số tổn thất K Chương 2: CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC § H T L Bài tập 1/ Trả lời câu hỏi 2/ Làm sau: 2-21E, 2-23M, 2-25M, 2-27M, 2-33E, 2-36M, 2-37E, 2-39M, 2-40E, 2-44M 3-15M, 3-20M, 3-22E, 3-27E, 3-39E, 3-41M, 3-49M, 3-53M, 3-59E, 3-62E 4.9E; 4.10M; 4.12E; 4.15M; 4.19M; 4.23E; 4.26E; 4.33E ... THỐNG THỦY KHÍ 1.1 § H T L KHÁI NiỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA Kỹ thuật thủy khí: cơng nghệ sử dụng chất lỏng chất khí có áp để truyền điều khiển lượng Kỹ thuật thủy khí (fluid power) thuật ngữ bao gồm thủy. ..BÀI MỞ ĐẦU § § H T L PHƯƠNG PHÁP HỌC, TÀI LiỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP HỌC Lý thuyết→ →Sơ đồ→ →Hình ảnh→ →Vật thực→ → Bài tập TÀI LiỆU SỬ DỤNG Kỹ thuật thủy khí ứng dụng – BM Máy xây dựng Thủy. .. 1: GiỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THỦY KHÍ § H T L Các nội dung chính: 1.1 Khái niệm định nghĩa 1.2 Ưu nhược điểm, ứng dụng kỹ thuật thủy khí 1.3 Các phần tử hệ thống thủy khí 1.4 Các hệ đơn vị đo Chương