Bài giảng Thuỷ lực và khí nén (Phần 1) - Lê Anh Sơn

LOGO
“ Add your company slogan ”
Thuỷ lực và khí nén
Le Anh Son
Bộ môn Động lực_Trường Đại học Nông nghiệp I
Mở đầu, cơ sở kỹ thuật truyền động thuỷ khí
Truyền động cơ học1
Truyền động điện2
Truyền động thuỷ lực3
Truyền động khí nén4
Động
cơ
Hệ thống
truyền động
Máy hay thiết bị
Cần dẫn động
Me, e Ma, a, (Fa, va) 
Sơ đồ nguyên lý một hệ thống truyền lực
Truyền động thuỷ tĩnh
Truyền động thuỷ động
Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền 
động thuỷ lực
 Công suất cơ học (vào): Pch1 =2 M1n1
 Công suất thuỷ lực: Prl = pQ 
 Công suất cơ học (ra): Pch2 = Fv hoặc Pch2 = 2 M2n2
Máy động 
lực (Động 
cơ điện 
hoặc động 
cơ đốt 
trong)
Máy công tác 
(máy nén ép 
hoặc truyền 
lực chuyển 
động của xe 
hơi)
B¬m thuû 
lùc
§-êng èng
Phô kiÖn 
PhÇn tö ®iÒu 
khiÓn
Xy lanh thuû 
lùc hoÆc ®éng 
c¬ thuû lùc 
ChuyÓn 
®æi c«ng 
suÊt c¬ 
häc 
C«ng suÊt 
thuû lùc 
Prl= p.Q
1 1chP M  
ChuyÓn ®æi 
c«ng suÊt c¬ 
häc
Pch= F.v
hoÆc
C«ng suÊt
thuû lùc
Prl= pQ
2 2chP M  
M1 n1
F v
M2 n2
Sơ đồ truyền công suất trong một thiết bị thuỷ lực
Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền 
động thuỷ lực
Truyền động cho một xy lanh thuỷ lực
Ưu nhược điểm của truyền động thuỷ lực
 Ưu điểm của truyền động thuỷ lực
 Kết cấu đơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn
 Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý đến vị trí của
liên hợp cơ học
 Truyền lực lớn khi thể tích kết cấu tương đối nhỏ do có trọng lượng
trên đơn vị công suất của bơm và động cơ nhỏ (trọng lượng công suất
của động cơ thuỷ lực so với động cơ điện là 1/10)
 Tính chất động lực học khá tốt (tăng tốc, giảm tốc) do mô men quán
tính của động cơ thuỷ lực nhỏ (tỷ lệ mô men quán tính so với động cơ
điện cùng mô men quay là 1/50)
 Chuyển đổi đơn giản chuyển động quay thành chuyển động dao động
và ngược lại
Truyền động cho một động cơ thuỷ lực
Ưu nhược điểm của truyền động thuỷ lực
 Đảo chiều đơn giản
 Thay đổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng (đặc biệt có lợi cho
các máy tự hành)
 Bảo vệ quá tải đơn giản nhờ van giới hạn áp suất
 Giám sát đơn giản nhờ áp kế
 Có khả năng tự động hoá chuyển động dễ dàng.
 Nhược điểm của truyền động thuỷ lực:
 Hiệu suất thấp so với truyền động cơ học, do ma sát của chất
lỏng trong đường ống và các phần tử, do hao tổn lọt dòng
trong các khe hở lắp ghép
 Không thể (hay khó) đồng bộ quá trình chuyển động do hiện
tượng trượt giữa phần chủ động và phần thụ động, do hao
tổn lọt dòng và tính chịu nén của dầu
 Chi phí chế tạo cao do yêu cầu độ chính xác cao của các
phần tử trong hệ thống thuỷ lực.
Cấu trúc và hoạt động của một bộ truyền 
động khí nén
 Ứng dụng khí nén trong kỹ thuật truyền động:
 Truyền chuyển động va đập
 Truyền động quay: công suất nhỏ 
100000V/ph
 Truyền động thẳng
 Truyền động lắc
Ưu nhược điểm của kỹ thuật khí nén
 Ưu điểm
 Khí nén có khả năng lưu giữ và vận chuyển thuận lợi đến những địa điểm
cần thiết
 Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa nên có khả năng điều khiển từ xa
và linh động trong việc bố trí các phần tử cấu trúc, khí thải có thể dẫn trực
tiếp ra môi trường
 Chi phí đầu tư thấp do có thể kết nối với hệ thống khí nén trong xí nghiệp;
 An toàn tốt do có thể bố trí van giới hạn áp suất
 Có thể khởi hành với tần số quay thấp và rất an toàn khi quá tải
 Tuổi thọ cao
 Dễ thay thế các phần tử của hệ thống
 Có thể thay đổi vô cấp vận tốc và tần số quay.
 Nhược điểm
 Chỉ làm việc được với tải trọng nhỏ
 Vận tốc chuyển động phụ thuộc vào tải trọng do tính chịu nén của không
khí
 Ảnh hưởng không tốt đến môi trường do ồn và khí thải có dầu
 Vận tốc truyền và xử lý tín hiệu chậm.
Chất lỏng thuỷ lực
 Nhiệm vụ và yêu cầu của chất lỏng thủy lực:
Nhiệm vụ
Truyền lực
Lưu thông dòng dầu
có áp từ bơm đến
bộ truyền lực
Bôi trơn, chống gỉ
Và làm mát
Chất lỏng thuỷ lực
 Nhiệm vụ và yêu cầu của chất lỏng thủy lực:
Yêu cầu
Tính chất nhiệt độ - độ nhớt hợp lý,độ nhớt 
thay đổi ít trong khoảng thay đổi nhiệt độ rộng
Chống mòn và bôi trơn tốt
Chống rỉ tốt, thích ứng với các phốt làm kín,
cao su, vật liệu nhân tạo và hợp kim
Độ bền lão hoá tốt
Khả năng tách bọt khí tốt
Chất lỏng thuỷ lực
 Phân loại chất lỏng thuỷ lực:
Dầu khoáng được phân loại theo độ nhớt
(Viscosity – VG)
• Bảng 1.1 Phân loại độ nhớt ISO đối với dầu thuỷ lực theo
DIN E51524
Chất lỏng thuỷ lực khó cháy phân loại theo vùng
độ nhớt
• Bảng 1.2. Phân loại độ nhớt chất lỏng thuỷ lực khó cháy
• Bảng 1.3. Tổng hợp các số liệu quan trọng nhất của chất
lỏng thuỷ lực
Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Tính chất nhớt
h
vx= 0
y
x
vxp
vx(y)
Hình 1.4. Phân bố vận tốc chất lỏng 
giữa hai tấm phẳng song song
( ) xpx VV y
y h
 x
dV
dy
  
+ Độ nhớt động lực học :
Đơn vị Ns/m2 hoặc Pa.s hoặc 
Poise 
+ Độ nhớt động học :
Đơn vị m2/s hoặc St (Stoke)


Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Tính chất nhiệt độ - độ nhớt
( )
b
cke   ln ( ) ln
b
k
c
 

Hoặc
Độ 
nhớt 
động 
học 
0
100
200
300
400
600
0 20 40 60 0C 100
mm2
s
Nhiệt độ 
Độ 
nhớt 
động 
học 
Nhiệt độ 
10000
120
5
ISO VG32
22
10
ISO VG100
62
46
10
20
50
100
200
500
1000
mm2/s
0
0 20 40 60 0C80
Sự thay đổi độ nhớt  theo 
nhiệt độ
(HL 46, VI 100, p0 = 1 bar)
Biểu đồ Ubbelohde để xác định tính chất độ 
nhớt – nhiệt độ 
(ISO VG 10./.100, VI 100, p0 = 1 bar)
Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Tính chất nhiệt độ - áp suất - độ nhớt
Độ 
nhớt 
động 
học 
Hình 1.7. Biểu đồ xác định tính chất nhiệt độ – áp 
suất – độ nhớt
(HL 46, VI 100)
p=601 bar
401bar
0 20 40 60 80 1200C
0
5
10
20
30
50
100
200
500
1000
10000
mm2/s
Nhiệt độ 
p =201 bar
1bar
( )
( )
op p
P oe
   
Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Tính chất khối lượng riêng 
m
V
Biểu đồ biểu diễn tính chất khối lượng riêng – áp suất 
phụ thuộc vào nhiệt độ (HL 46, VI 100)
0
0C
0,80
0,94
0,90
0,88
0,86
0,84
0,82
g/cm3
0 100 200 300 400 500 bar 700
100
80
60
40
0
Áp suất p
Khối 
lượng 
riêng 
Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Tính chất nhiệt độ – khối lượng riêng 
 Tính chất áp suất – khối lượng riêng
0
0
( )
1 ( )
 
  
 Hệ số giãn nở nhiệt: 
0 0( )
V
V

 
0
0
( )
1 ( )
p
k p p
 Hệ số nén 0 0( )
V
k
V p p
Các tính chất vật lý của chất lỏng thuỷ lực
 Khả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ 
lực 
• Không khí hoà tan
• Không khí không hoà tan, có nghĩa là ở 
dạng bọt khí.
Khả năng tiếp nhận cực đại ở dạng hoà tan:
0
kk d
p
V V
p
Tính chất khí nén kỹ thuật
 Thành phần hóa học của không khí
+ hơi nước, bụi bẩn, tạp chất
 Tính chịu nén của không khí
N2 O2 Ar CO2 H2 Ne.10
-3 He.10-3 Kr.10-3 X.10-6
Thể tích
(%)
78,08 20,45 0,93 0,03 0,01 1,8 0,5 0,1 9
Khối lượng 
%
75,51 23,01 0,04 1,286 0,001 1,2 0,07 0,3 40
Chịu nén Đàn hồi
Tích luỹ năng lượng
Tính chất khí nén kỹ thuật
• Mô đun đàn hồi
Hình 8.1. Quá trình nén một thể tích khí
L
dp
E V
dV
Giả thiết với quá trình đa biến: 
pVn= K = const 
1L n n
Kn Kn
E V np
V V 
2 2
0
L L
A A A
c E np np
V V x x
2
L
dp
c A
dV
Độ cứng
• Khả năng tích luỹ năng lượng
Tính chất khí nén kỹ thuật
 Độ nhớt của khí nén
Độ nhớt động lực học
Độ nhớt động học
 = N
3/ 4
N
T
T
N là độ nhớt của không khí khi 
TN=273,15
0 K và pN=1,0133bar 
Hình 8.2. Độ nhớt động lực học của không khí và nước


 Trong đó
p
RT
Tính chất khí nén kỹ thuật
 Độ ẩm của không khí 
• Hàm lượng nước trong không khí
Hình 8.3. Đồ thị quan hệ giữa lượng ẩm bão hòa với 
nhiệt độ và áp suất
Hình 8.4. Thí dụ tính toán lượng nước tách ra khi nén khí
0,622D D L DP
L L D D
m p R p
x
m p R p p
• Ở trạng thái bão hoà 0,622 ss
s
p
x
p p
Tỷ lệ giữa hàm lượng nước trong không 
Khí với hàm lượng nước của không khí
bão hoà: 
D s sD
s s D D
p p p p px
x p p p p p
 
Trong đó φ là độ ẩm tương đối của không
Khí:
D
S
p
p
Trong điều kiện khí quyển pD và pS rất
nhỏ so với áp suất khí quyển nên có thể
bỏ qua trong tính toán. D D
s s
x p
x p
 
Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh 
 Tính chất thuỷ tĩnh
• Chất lỏng lý tưởng:
 không ma sát, 
 không chịu nén, 
 không giãn nở
 Tryền áp lực vuông góc
• Áp suất tác động:
• Áp suất tạo ra từ lực ngoài trong thiết bị thuỷ tĩnh. Giả 
thiết bỏ qua trọng lượng bản thân:
• Chuyển đổi năng lượng nhờ xylanh
p
h
p
Hình 1.9. Phân bố áp suất 
trong thùng chứa chất lỏng lý 
tưởng
F
p
A
Hình 1.10. Lực tác động lên pít 
tông của một xy lanh thuỷ lựcp gh 
F
p
A
1 2
1 2
F F
p
A A
F2
S1
S2
A1
A2
F1
Hình 1.11. Sơ đồ thiết bị nâng thuỷ lực
1 2
2 1
v A
v A
P Fv Công suất: F Ap Do
Q
v
A
 và
P pQ 
Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh
 Chuyển đổi năng lượng chuyển động quay
Thể tích choán chỗ: V=2πrA
Lưu lượng: Q=V.n
Mô men quay: M=pAr
Công suất vào hoặc ra:
P=Mω=M2πn
P=pQ
2
pV
M
2
pQ
M
n 
 hoặc
Hình 1.12. Bơm thuỷ lực cánh quay
1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay.
r
p1
M1
1
2
A1
3
Cơ sở thuỷ động lực học
 Phương trình liên tục
Bỏ qua sự thay đổi của khối lượng riêng A1V1=A2V2
 Phương trình Bernoulli
m Av  1 1 1 2 2 2Av A v 
2 2
1 1 2 2
1 1 1 2 2 2
2 2
v v
p gh p gh
Đối với chất lỏng không chịu nén:
2
2
v
p gh const
1 2 
Trong kỹ thuật, bỏ qua thế năng
2
2
v
p const
Hình 1.13. Dòng chảy qua ống thu 
hẹp
m1 
Q1
v1
A1 v2
A2
m2 
Q2
h2
h1
v1
v2
p1; Q1
p2; Q2
1 2
Hình 1.14. Dòng chảy qua 
hai mặt cắt khác nhau
Cơ sở thuỷ động lực học
 Hao tổn áp suất trong đường ống
2
1 2
2
R
l v
p p p
d
 
(Re)R f Re
vd vd 
 
p1 p2 < p1
l
1 2
Hình 1.15. Hao tổn áp suất trên 
ống thẳng
 p
Hình 1.16. Biểu đồ tổng hợp sức cản dòng chảy R
Cơ sở thuỷ động lực học
 Trường hợp chảy tầng đẳng nhiệt
Hình 1.17. Biểu đồ tính toán sức cản dòng chảy thuỷ lực dầu
64
Re
R 
r
x
vmax
v
p2p1
y
l
 p


 y2
Hình 1.18. Profil vận tốc khi chảy tầng
Cơ sở thuỷ động lực học
 Trường hợp chảy tầng không đẳng nhiệt
2
2
S X R
l v
p K K
d
 
Hình 1.19. Nhiệt độ, độ nhớt và vận tốc dòng chảy qua 
mặt cắt khi chảy đẳng nhiệt và không đẳng nhiệt
v
Đẳng nhiệt
Không đẳng nhiệt
Yếu tố K-S (hình 1.20) tính đến sự thay đổi 
nhiệt độ và độ nhớt theo các mặt cắt ngang
Yếu tố KX (hình 1.21), tính đến ảnh hưởng của 
thay đổi nhiệt độ và độ nhớt theo chiều dài 
Cơ sở thuỷ động lực học
 Trường hợp chảy rối đẳng nhiệt
Re1
2log
2,51
R
R


 Công thức Prandt:
vmax
v
Hình 1.22. Profil vận tốc 
khi chảy rối
0,250,3164.ReR
 Trong kỹ thuật có thể dùng:
Hình 1.23. Biểu đồ xác định yếu tố kt
cho dòng chảy rối không đẳng nhiệt
 Trường hợp chảy rối không 
đẳng nhiệt
2
2
t R
l v
p k
d
 
Cơ sở thuỷ động lực học
 Hao tổn áp suất cục bộ
Hình 1.25. Các dạng nối ống2
2
v
p
 
Hệ số cản cục bộ  có thể xác định bằng thực nghiệmcho các phần tử tiêu biểu.
Một số giá trị  đối với các trường hợp trên hình 1.24 và hình 1.25 được cho trên
các bảng 1.4 đến bảng 1.7. 2
2
v
p b
 
 Dòng chảy rối:
Cơ sở thuỷ động lực học
 Hao tổn áp suất trong van và các thiết bị 
thuỷ lực: Tính theo các đặc tính cho bởi 
nhà sản xuất.
 Lưu lượng qua van tiết lưu
• Lưu lượng lý thuyết
• Lưu lượng kỹ thuật D d
p1 p2
v
Hình 1.27. Tấm chắn 
để đo lưu lượng
2
D
p
Q A
2
D
p
Q A 
Cơ sở thuỷ động lực học
 Hao tổn lọt dòng
• Khe hở phẳng
• Khe hở đúng tâm
• Khe hở lệch tâm
• Đường kính mao dẫn
Hình 1.28. Các dạng khe hở tiêu biểu trong kỹ thuật thuỷ lực
3
1 2
12
L
p pb
Q
l


3
1 2
12
L
p pd
Q
l
 

3
31 2 (1 1,5 )
12
L
p pd
Q
l
 


4
1 2
128
L
p pd
Q
l

Cơ sở thuỷ động lực học
 Lực tác động của dòng chất lỏng
• Lực va đập vào tấm phẳng:
• Lực trên ống cong:
• Lực tác dụng trên vỏ vòi phun:
Hình 1.29. Lực dòng chảy tại các phần tử cấu trúc
a) Tấm phẳng ; b) ống cong ; c) Vòi phun
sinF Qv 
2( )cos
2
F pA Qv

2
2
1( 1)
2
v
F A
 với 1
2
A
A
Các định luật dòng khí
 Dòng khí qua vòi phun lý tưởng
Giả thiết:
 Không ma sát, dòng chảy đoạn nhiệt
 Vòi phun tròn đều tại cửa ra của bình kín
 Không có công kỹ thuật cấp vào
 Không có ảnh hưởng của thế năng
Vận tốc khí cửa ra:
Lưu khối dòng khí:
Hình 8.5. Bình kín có vòi phun với 
áp suất ra điều khiển được
1
1 2
2
1 1
2 1
1
K
Kp pK
v
K p 
2 1
2 2
2 1 1
1 1
2
1
K
K Kp pK
m A p
K p p

2 1 12m A p  2 1
0 1
2
L
m A p
R T
 hoặc
Các định luật dòng khí
 Dòng khí qua vòi phun lý tưởng
Hàm thoát  phụ thuộc vào 
tỷ lệ áp suất, các quá trình
tính toán, phân tích vận tốc
tới hạn và tỷ lệ áp suất tới 
hạn đọc trong giáo trình
Hình 8.6. Hàm thoát  phụ thuộc tỷ lệ áp suất
Các định luật dòng khí
 Dòng khí qua tấm chắn
Hình 8.7. Dòng khí qua tấm chắn
2
0
k
A
A
 Hệ số sự co thắt:
0
1
A
m
A
 Tỷ lệ mở:
2 1
1
2
Dm A p
RT
  
Lưu khối dòng khí:
Hình 8.8. Đặc tính dòng chảy qua tấm chắn
so với vòi phun lý tưởng
Hệ số hiệu chỉnh:
αD=f(αK,m)
Các định luật dòng khí
 Dòng khí qua khe hẹp
• Giả thiết:
- Các lực tác dụng ở trạng thái cân bằng
- Dòng chảy liên tục và chảy tầng dọc theo chiều dài
- Áp suất p chỉ là một hàm số theo chiều dòng y tại một mặt 
cắt ngang p = const
- Dòng chảy dưới tới hạn, 
không có thiết diện nào 
đạt được vận tốc âm thanh
Hình 8.9. Phân bố ứng suất trên một phần tử khí
Các định luật dòng khí
 Dòng khí qua khe hẹp
Hình 8.10. Quan hệ giữa lưu khối dòng khí lọt 
qua khe hở với áp suất trước khe hở
1
1 1 3
1
1 2
112 1
n
n n n
n n
bh p n
m p p
RT l n

Trạng thái đẳng nhiệt (n=1)
3
2 2
1 2
24
bh
m p p
RTl
 
Các định luật dòng khí
 Các van và vị trí tiết lưu
- Trường hợp quá tới hạn
* 0
1 0
1
T
m Cp
T
 
2
1
0
p
b
p
Hình 8.11. Sai số khi xấp xỉ Elip Hình 8.12. Hàm dòng khí thoát phụ
thuộc vào tỷ lệ áp suất
Các định luật dòng khí
 Các van và vị trí tiết lưu
- Trường hợp dưới tới hạn
2
2
0 1
1 0
1
1
1
p
b
T p
m Cp
T b
 2
1
1
p
b
p
Hệ số dẫn dòng
2 max 0 0
0
2D LA R T
C
p
 
2
2
1
max 1
1
p
b
p
b
 
Các định luật dòng khí
 Các van và vị trí tiết lưu
 Xác định C theo trạng thái tới hạn
 Hệ số b tính theo c và 
mỗi điểm đo trong vòng 
dưới tới hạn
**
1
*
0 1 0
Tm
C
p T 

1
2
1
0 1 0
1
1 1
p
p
b
Tm
C p T 

Các thông số đặc trưng khác để mô tả dòng khí đọc trong giáo trình
Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén:
DIN_ISO.1219
Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén:
DIN_ISO.1219
Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén:
DIN_ISO.1219
Ký hiệu các phần tử thuỷ lực và khí nén:
DIN_ISO.1219
LOGO
“ Add your company slogan ”
PGS.TS. Bùi Hải Triều